氮化鎵(GaN)功率半導體技術對於提高射頻(RF)/微波功率放大器的性能帶來極大的貢獻。透過減少元件中的寄生參數、使用較短的閘極長度,以及利用較高的作業電壓,GaN電晶體可以實現更高的輸出功率密度、更大的頻寬,以及更高的DC對RF轉換效率。

舉例來說,在2014年時,以GaN為基礎且能提供8kW脈衝輸出功率的X波段放大器問世,取代了雷達系統應用裝置中的行波管(TWT)元件以及TWT放大器。到了2016年,還會有許多這種支援32kW的新款固態GaN功率放大器出現。在期待這些放大器出現的同時,我們將探討這些高功率GaN放大器的部份關鍵特性與特點。

在不久之前,GaN就已經是對抗無線射頻電子戰(CREW)應用的首選技術了,約有數以萬計的放大器投入戰地現場使用。該技術目前也已經部署於空中電子戰領域了,利用了能夠在RF/微波範圍中提供數百瓦輸出功率的開發中放大器。這一類型的數個新款寬頻EW功率放大器預計將在不久後陸續發表。

更深入研究的領域包括高峰均功率比(PAPR)波形的線性度進展,使其得以用於許多軍事通訊系統中,包括通用數據鏈(CDL)、寬頻網路波形(WNW)、軍用無線電波形(SRW)以及寬頻衛星通訊(satcom)應用等。亞德諾半導體(ADI)倡議的‘Bits to RF’計劃,將整合該公司於基頻訊號處理以及GaN功率放大器技術上的優勢,透過諸如預失真與封包調變等技術,將有利於提高PA的線性度與效率。

過去幾年來,以GaN為基礎的元件陸續發表:包括離散式場效電晶體(FET)以及單晶微波積體電路(MMIC),他們已經被廣泛地用於高功率的微波放大器系統中。這些能夠由許多代工來源與元件製造商取得的元件通常會以100mm的碳化矽(SiC)晶圓製造。

矽基氮化鎵(GaN-on-Si)也被列入考慮;然而,相對較差的Si導熱與導電性,抵銷掉其於高性能、高可靠應用裝置中的成本優勢。這些元件具有小至0.2 μm的閘極長度,並且支援毫米波(mmWave)頻率波段作業。除了對於成本最為敏感且較低頻率應用的裝置以外,基於GaN的元件已經大量地取代了許多高頻率應用裝置中的砷化鎵(GaAs)與矽元件,並橫向擴展至金屬氧化半導體(LDMOS)元件。

RF功率放大器設計者也對於GaN元件深感興趣,因為它們能支援非常高的作業電壓(比GaAs高三至五倍),而且每單元FET閘極寬度的可容許電流大約是GaAs元件的兩倍。這些特性對於PA設計者而言具有重要的意義,特別是在特定輸出功率級時的較高負載阻抗。相較於50Ω或75Ω的典型系統阻抗,以往基於GaAs或LDMOS的設計通常都具有極低輸出阻抗。低元件阻抗會對於可達成頻寬設下限制,也就是說,隨著放大元件及其負載之間所需的阻抗轉換比率增加,元件的數量與插入損耗也會提高。因為這些高阻抗的緣故,這些元件的早期使用者有時候在不匹配的測試治具、使用DC偏置以及RF/微波測試訊號驅動元件的狀態下,僅安裝一組就能夠達成部份的結果。

GaN元件因為具有這些特性以及其卓越的可靠度,因此也開始進入高可靠度的太空應用裝置。從數個此類元件來源取得的使用壽命測試數據預測,在225℃或是更高的接面溫度下,(每單一元件)故障前平均使用時間(MTTF)超過一百萬小時。這種卓越的可靠度主要是因為GaN擁有的高能隙值(GaN的能隙值為3.4;GaAs則為1.4)所致。這使得它們更適合用於高可靠度的應用裝置。

在高功率應用中更廣泛使用GaN的主要障礙在於其相對較高的製造成本,通常是GaAs的兩到三倍,或是Si LDMOS-based元件的五到七倍。這對於成本敏感的應用(如無線基礎架構與消費性手機等)而言往往是一大阻礙。GaN-on-Si基板製程已經可供採用,儘管有著前面曾經提到的問題,但由這些製程所生產的元件可能就是最適合成本敏感應用裝置的元件。在不久的未來,隨著GaN元件的生產朝向150mm或更大直徑的大型晶圓發展,預計其成本將會隨之下降,甚至可能以50%的跌幅進展,目前也已經有數家GaN元件的主要代工來源開始進行了。

目前為天氣預測與目標蒐集/辨識開發的雷達系統,必須使用以TWT為基礎且在C波段與X波段頻率運作的功率放大器。這類放大器的運作需要高供電電壓(10kV至100kV)與溫度,而且很容易受到過度的衝擊與振動的影響而損壞。這些以電子管為基礎的放大器現場可靠度通常為1,200h至1500h,因而將導致在維護方面以及備用零件方面的高成本。

為了對這些以TWT為基礎的高功率放大器提出替代方案,ADI開發了一款以GaN技術為基礎的8kW固態X波段功率放大器。該元件的設計採用創新的分層組合方法,加總了256個MMIC的專用RF/微波輸出功率(分別以大約35W的輸出功率開發)。此組合方法將會在個別的MMIC發生故障時產生漸進的性能退化。這點剛好與TWT放大器形成對比:由於低位準的冗餘導致其本質多變,因而易於發生故障。針對這些固態GaN功率放大器,RF/微波組合架構必須要能在總體網路的MMIC與RF/微波插入損耗之間所需的隔離提供合理的平衡。

8kW放大器的拓墣是模組化的,包含了四組2kW放大器以及使用波導結構的輸出功率(如圖1)。該放大器可以安裝於標準的19吋機櫃中。目前的放大器設計(如圖2)是將組態設定成使用水冷,但使用氣冷式的新款放大也已在開發中。表1提供了水冷8kW GaN PA的性能整理。

20161020 ADI P1 圖1:基於GaN的固態功率放大器能在X波段頻率提供8kW輸出

20161020 ADI T1 表1:典型的8kW PA性能

以此種方式所設計的8kW SSPA能夠相互結合,產生出更高的功率級。目前一項正進行中的工作就是開發一款結合三組此類型8kW SSPA模組的放大器,藉以實現在相同頻率範圍中具有24kW峰值輸出功率的單元。其它用以達到32kW功率級的組態設定都是可實現的,而且正考慮進一步的評估。

ADI目前正在開發一組同樣以GaN技術為基礎的先進功率模組,它可使現有模組的RF/微波輸出功率加倍。該模組在設計上採用密封的封裝,用以支援在極端環境中的作業。此特點再搭配降低插入損耗的次世代組合架構(相較於現有的方案),將可以延伸脈衝輸出功率達到RF/微波頻率下接近75 kW至100kW的位準。這些先進的高功率SSPA將包含控制與處理器的功能,從而為供電放大器的MMIC元件實現故障監測、內建測試(BIT)功能、遠端診斷測試以及快速、即時偏置控制電路的控制功能。

這些以GaN為基礎的固態功率放大器符合業界對於放大器的需求,提供廣大的瞬時頻寬與高輸出功率級。有些系統試圖利用通道式或是多個放大器(每個放大器都涵蓋一部份的頻譜,並提供一組多工器),以符合這些需求。這種做法將會導致成本與複雜度提高,並且在多工器的頻率交叉點上形成覆蓋間隙。更有效的替代解決方案是以提高的功率級連續覆蓋廣大的頻率範圍,如同利用兩組基於GaN的放大器涵蓋VHF到L波段頻率以及2GHz至18GHZ所實現的狀況一樣。

20161020 ADI P2 圖2:方塊圖顯示GaN、X波段固態功率放大器架構與元素

為了從VHF到S波段頻率都能使用,ADI開發出一組非常小巧但具有多項特點的多重八度放大器,能夠在115MHz至2,000MHz範圍內提供50W的輸出功率。該放大器在全頻率範圍中達到了46dBm(通常為40W)的輸出功率級,並在0dBm的額定輸入訊號時饋入。

該放大器採用7.3"×3.6"×1.4"的精巧外殼封裝,包含針對過熱與電流過載保護的BIT功能、遙測報告,以及整合式DC對DC轉換器,以實現毫無折衷的RF性能與26VDC-30VDC的輸入供電範圍。圖3所示為該放大器的照片,圖4中則提供一般的輸出功率 vs. 頻率的測得性能資料。

20161020 ADI P3 圖3:連續波(CW)、50W的固態功率放大器,能夠在115MHz至2,000MHz範圍作業

20161020 ADI P4 圖4:50W、115MHz-2,000MHz範圍作業的功率放大器輸出功率與頻率關係圖

為了因應2GHz上的寬頻應用裝置,ADI還開發出一組能夠在整個2GHz至18GHz波段產生50W連續波(CW)輸出功率的GaN放大器。該放大器採用商用的10W GaN MMIC,透過一組寬頻低損耗組合電路加總輸出功率。多重放大器可以依序加以結合,在相同的2GHz至18GHz頻寬中開發出高達200W的輸出功率。驅動放大器鏈也以GaN主動元件為基礎。該放大器以48 VDC運作,具有內部電壓調節器以及高速切換電路,能夠實現具有良好脈衝真實性與快速上升和下降時間的脈衝式作業。表2列出該放大器的規格。圖5所示為該放大器的照片,圖6則為放大器在2GHz至18GHz頻率函數的輸出功率。

20161020 ADI T2 表2:典型的寬頻SSPA性能

20161020 ADI P5 圖5:可在2GHz至18GHz範圍提供50W CW輸出功率的放大器

20161020 ADI P6 圖6:50W、2GHz至18GHz功率放大器之輸出功率與頻率的關係

這款50W放大器是涵蓋2GHz至18GHz波段放大器系列成員之一。ADI並開發出一款能夠提供12W輸出功率的精巧平台式放大器(圖7),以及可以發送100W輸出功率的機架式單元(圖8)。其它的放大器頻率範圍涵蓋從2GHz至6GHz以及6GHz至18GHz的放大器都正在開發中。ADI並致力於提高這些寬頻放大器的輸出功率,從現有的水平提升到200W與更高的功率級。為了實現這些更高的功率位準,該公司正開發具備更高輸出功率的模組,以及具有大幅改善組合效率,比現有功率組合器更低損耗的寬頻RF功率組合器。

20161020 ADI P7 圖7:寬頻2GHz至18GHz功率放大器在全頻率範圍中產生12W的CW輸出功率

20161020 ADI P8 圖8:2GHz至18GHz固態功率放大器在其全頻率範圍中產生100W的CW輸出功率

這是一些利用基於GaN的固態放大器可達成性能的範例。隨著更多的GaN半導體供應商朝向更大晶圓尺寸發展,並且持續改善每片晶圓的良率,這些放大器的單位成本預計將隨之下降。以毫米波頻率作業的系統將會隨著閘極長度的縮減而採用更多的GaN元件,為基於GaN的SSPA實現更高頻率作業。很顯然地,目前GaN不斷改善性能以及降低成本的趨勢還將持續一段時間。