扩展GaN功率放大器的带宽

扩展GaN功率放大器的带宽

以下文章来源于化合物半导体联盟 ，作者化合物半导体杂志

化合物半导体联盟

《化合物半导体》（CSC）是全球最重要和最权威的杂志Compound Semiconductor的“姐妹”杂志，亦是中国唯一专注于化合物半导体产业的权威杂志，重点介绍国外先进技术和产业化经验，促进国内产业发展，为国内读者提供行业的专业知识。

通过增强基于GaN HEMT的放大器之间的耦合，宽带性能达到了新的水平。

RICHARD STEVENSON

您认为放大器的什么属性是最要紧的？无论是增强信号以驱动一对扬声器，还是增加基站的覆盖范围，或者是参与电子战，足够的增益都是首要考虑的因素。线性度也是一个重要选项，因为它确保了波形的忠实再现；而效率则无疑是一笔财富，因为它可以降低冷却要求，减少电费。

在这一高价值属性清单中，对带宽的渴望也包含其中。应用通常需要在很宽的频率范围内进行放大，理想的情况是不必为不同频率区域采用多个放大器，因为这会增加复杂性和成本。

去年8月4日至6日在线举行的IEEE MTT-S国际微波研讨会上，专家们概述了几种改善不同频率下放大带宽的方法。在此，我们呈现了该会议上发表的几篇论文的要点，概述了在亚千兆赫到200GHz以上频率上的进展。

所有这些论文都提到了使用高质量GaN晶体管来构建宽频带高性能放大器。但请注意，仅仅选择这些器件并不能保证成功。它们如何与周围的元件相互作用至关重要，必须考虑互连技术和阻抗匹配之类的因素。

传输线变压器

富士通实验室的Yoshitaka Niida和同事们采用的是这一方法。他们取得了很大的成功，其进展使他们宣称已经为输出功率超过200W的GaN功率放大器的带宽树立了新标杆。富士通放大器的核心基于传输线-变压器的组合架构，其范围为0.5GHz至2.1GHz。这借鉴了一种成熟的方法，即传输线变压器，它是一类宽带阻抗变压器。不同于通过磁耦合传递能量的传统阻抗变压器，它通过横向传输线模式传递能量。这就实现了超宽带阻抗变压器。

放大器设计者面临的一个重大挑战是如何将晶体管的阻抗（通常只有几欧姆）通过匹配电路转换到50Ω。对匹配电路采用大的阻抗转换率并不是一个很好的解决方案，因为这会使带宽变窄。

为了解决这个问题，Niida和同事将阻抗转换功能添加到了功率组合器中。通过这种方法，匹配电路转换的阻抗可达12.5Ω，从而降低了阻抗转换率。

图1.对富士通公司GaN放大器的评估，该放大器采用基于传输线-变压器的组合技术，评估表明，它为带宽树立了新的基准。插图展示了这一功率放大器。

该团队制造的功率组合器有4个输入端口，每个端口的阻抗为12.5Ω。第一级将阻抗从12.5Ω转换到25Ω，第二级将阻抗从25Ω转换到50Ω。

传输线的制造涉及在0.5mm厚的衬底（介电常数为3.4）顶部和底部创建金属结构，从而促进牢固的耦合。在衬底上形成金属化的通孔，电连接底层和顶层，从而创建一个22 cm×11cm的基于传输线-变压器的功率组合器。

该团队通过在一个四路功率分配器和一个四路功率组合器之间放置4个GaN HEMTs 功率放大器（每个有12.5Ω输入和输出阻抗）来形成一个宽带功率放大器。这些HEMT的栅极宽度为16mm，采用0.25μm的AlGaN/GaN HEMT技术在内部生产。在放大器上进行的小信号测量（尺寸为22cm×27cm×1.5cm）显示，在0.5-2.1GHz范围内，使用50V的漏极电压，增益超过9.7dB，输入回波损耗低于-7.9dB。

图1.红外光谱可以通过各物质独特的吸收光谱来鉴别乙醇，甲醇，丙醇和丙酮。浅灰色线显示了叠加的水透射光谱。

相同的电压用于涉及10μs脉冲和1%占空比的大信号测量。对于44 dBm的输入功率，该放大器在0.5-2.1 GHz范围内以42.3%±19.4%的功率附加效率产生53.4 dB±1.6 dB的输出。输出功率在1.3 GHz的处达到峰值（高达55.0 dBm），相当于315 W。

Niida及其同事使用一个被称为分数带宽的指标对他们的结果进行了基准测试（该指标是最高频率和最低频率之差除以中心频率）。基于这个数据，该团队声称其功率放大器是所有已报道的输出功率超过200W的功率放大器中带宽最高的。

Niida和同事们的下个目标之一是测试这项技术是否可以应用于更高的频率。

非均匀分布式功率放大器

在为商业和国防市场服务的宽带微波系统中，GaN非均匀分布式功率放大器是一种流行的选择。因为它能将非常宽的带宽、正常的输出功率及良好的功率附加效率结合起来。

来自三菱电机公司信息技术研发中心的Jun Kamioka和同事们声称，他们通过构建第一个包含带通滤波器的非均匀分布式功率放大器，取得了新的突破。他们认为，他们的设计为宽带放大器提供了有史以来最高的输出功率。

对于在第一单元使用人工传输线配置的传统分布式放大器，在每个FET的截止频率和输出功率之间都要进行权衡。增加FET的栅极外围，其输出功率的增加是以牺牲其截止频率为代价的。

这种电路设计的一个变通方法是在第一个单元中增加一个额外的电容，但这在增加截止频率的同时也会影响增益。Kamioka及其同事认为，一个更好的选择是插入一个带通滤波器。它不仅增加了较高的截止频率，也引入了较低的截止频率。

该团队使用公司内部0.25mm GaN-on-SiC MMIC技术(见图2)，通过构建单端和双路组合GaN MMIC大功率放大器，对这种设计进行了研究。

单端型号是一个2.8mm×1.5mm的芯片，具有四个FET。这些晶体管的栅极外围分别为1.0 mm、0.7 mm 、0.6 mm和0.5 mm，带通人工传输线应用于第一和最后一个FET。使用50 V的直流漏极电压和50 mA的静态漏极电流，在2.5 GHz至11 GHz的频率范围内，小信号增益超过12 dB。大信号测量，在占空比为10%的脉冲栅极偏置下，在2.5 GHz至11 GHz范围内产生24%至44%不等的功率附加效率和42.2 dBm至44.1 dBm的输出范围（见图3）。

双路组合MMIC是一个明显更大的芯片，尺寸为3.2mm×3.0mm。使用相同的测量条件，在2.5 GHz至10 GHz范围内，这种放大器产生的小信号增益超过11 dB，功率增值效率在24%至33%之间，输出功率在44.3 dBm至47.9 dBm之间--相当于27 W至61 W。

图3.三菱公司的双路组合GaN MMIC大功率放大器的输出功率（右）比单端型号（左）更高。

Kamioka表示，团队的目标之一是在保持大输出功率的同时，尝试扩大带宽。

Qorvo公司的工程师已经生产出了带宽更宽的放大器。在今年IMS会议上发表的两篇论文中，该公司基础设施与国防产品部门的开发人员声称已经制造出了带宽最宽的两级GaN放大器，适用于输出功率超过10W、基于非均匀分布式PA的放大器。该团队的2-20 GHz GaN MMIC放大器具有基于带宽的十倍频变压器功率合成器，可提供高达20 W的输出。

据Qorvo公司的工程师介绍，到目前为止，由于在该带宽上缺乏低损耗的功率组合器，2-20GHz频段上的输出功率一直受到单个功率放大器的输出功率的限制。为了解决这一局限性，该团队开发了两级放大器，该放大器具有基于带宽的片上变压器功率合成器，带宽为十倍。主要作者Michael Roberg称，该组合器基于宽边耦合变压器，"相当新颖"。他表示，设计和制造中涉及的一些知识产权正在申请专利，因此他目前无法透露更多信息。"

放大器采用了Qorvo的QGAN15工艺制造，该工艺涉及先在SiC衬底上生长再减薄至100μm的技术。Roberg说，部分地进行薄化是为了改善MMIC的热管理。他补充说："衬底的薄化对于最小化器件源电感、实现高性能、高频运行也是至关重要的。"

通常情况下，在微波频率下驱动放大器的电压需要28V或更高，但由于引入了十倍带宽宽带耦合变压器，Qorvo制造的MMIC的运行电压仅为22V。Roberg说，转为这种较低电压有重大意义，因为它带来了几个好处。"在较宽的带宽上，GaN器件在较低的电压下具有更好的功率附加效率。此外，即使在较低电压下功率附加效率相同，GaN器件在较低电压下的耗散也更小。"

在较低的电压下工作也带来了与单片工艺相关的优点。通过降低电压，电容器和有源器件之间的电压波动就会减少。"的确，更高的电流被用来换取了更低的电压以实现性能，"Roberg说，"但每一个导体都能够被适当地设计，以确保不存在电迁移问题。"

图4.Qorvo的TGA29是一款10 W 2-20 GHz GaN MMIC，芯片尺寸仅为10.5 mm2。它在2-20 GHz范围内产生40.3 dBm至42 dBm的输出功率，输入功率为27 dBm。

他和同事已经评估了两种不同的MMIC的性能，这两种MMIC都是市售产品。TGA2962是一款10 W 2-20 GHz GaN MMIC，芯片尺寸仅为10.5 mm2，而它20 W的表兄则是芯片尺寸为25.8 mm2的QPA2966D。

尺寸较小的那款芯片在22 V偏置点下工作，栅极电压设定为1680 mA的静态电流，并使用27 dBm的输入功率，在2-20 GHz范围内产生了40.3 dBm至42 dBm的输出，相应的大信号增益为13.3 dB至15 dB（见图4）。功率附加效率在2.5 GHz时达到了38.2%的峰值。

在相同的偏置下驱动，但静态电流为3360 mA并使用31 dBm的输入功率，尺寸较大那款芯片在2-20 GHz范围内的输出功率在42.6 dBm和44.9 dBm之间波动，并具有11.6 dB至13.9 dB的大信号增益。在频段的高端，输出功率有下降，这是由基于变压器的功率组合器建模不准确造成的。Roberg表示，接下来的目标之一是生产1-40GHz的宽频带、大功率放大器的完整产品组合，利用宽边耦合变压器来实现世界级的输出功率和功率附加效率。

G波段的增益

着眼于更高的频率，Fraunhofer IAF的工程师在IMS上发表了一篇论文，声称已经制造出了第一个工作在200GHz以上的G波段宽带功率放大器MMIC。

该团队的工作包括制造一个十级放大器，它在145 GHz和205 GHz之间提供超过15 dB的小信号增益，这在140 GHz至220 GHz的G波段中占有很大比例。人们对这一频段内的大气窗口很感兴趣，因为它们能确保减少下一代高数据速率无线通信链路和高分辨率成像系统的传播损耗。

图5. Fraunhofer IAF的研究人员正在为GaN MMIC在200GHz左右频率下的性能设定新的基准。该团队的十级MMIC在145 GHz至205 GHz（顶部）范围内的小信号增益超过15 dB，在162 GHz至217 GHz（底部）范围内的增益为10 dB。

论文的主要作者Maciej ?wikliński详细介绍了这种高频MMIC的性能，以及另一种在稍微不同频率范围内提供增益的MMIC，他说，该团队的放大器是使用其内部100nm基准工艺的增强版制造的。改进之处包括在G波段放大器中采用的、产生70nm栅极的能力。

据?wiklński介绍，Fraunhofer IAF工艺的独特之处在于它将出色的高频性能（即高fT和fmax）与良好的晶体管良率及均匀性相结合。

放大器的制造开始于将100mm的4H-SiC衬底装入MOCVD室，并沉积了GaN基异质结构，其中包括一层薄AlN中间层，以减少合金散射并增加二维电子气体的迁移率。工程师们使用硅注入技术来调整接触电阻，并使用电子束光刻技术来定义70nm栅极的尺寸。他们通过优化金属-绝缘体-金属结构的沉积，实现了寄生电阻的降低，并通过将SiC减薄至75μm，并通过孔加工30 μmx 30 μm。

?wikliński与其同事们制造的HEMT的特点之一是栅极-源极和栅极-漏极的间距不对称，栅极和漏极之间的长度超过了栅极和源极之间的长度。

"延长栅极-漏极间距的主要目的是提高HEMT的高频增益，这事关降低栅极-漏极的反馈电容。"?wikliński解释说。

他和同事们使用共面波导形成了MMIC的匹配网络，并且接地间距为25μm。由于该放大器的增益级数较多，因此级间匹配网络决定了性能。它是以双存根调谐网络的形式实现的，两个存根都是直流分离的，这让它们能作为偏置注入点使用。为了使放大器占位面积最小化，级间匹配网络非常紧凑。漏极馈线连接到金属-绝缘体-金属电容器的顶板，并通过漏极-偏置短线进一步向上布线，栅极馈线和栅极-偏置短线通过金属-绝缘体-金属电容器的底板连接。通过将漏极进给器与下一个HEMT的栅极进给器仅相距45μm，可以为MMIC实现相对密集的布局。

图6. Fraunhofer IAF生产的GaN MMIC的性能比HRL实验室和美国宇航局JPL生产的GaN MMIC性能更胜一筹。

该团队的首款十级放大器，芯片尺寸仅为1.55mm×0.8mm，在155GHz下的小信号增益峰值为30dB，在145GHz至205GHz之间的信号增益超过15dB。据?wikliński介绍，对于这样的高频设计来说，晶圆上小信号响应的均匀性非常好。射频产出率令人印象深刻，达到了73%。在整个晶圆上，工作频段内小信号增益的单元间变化仅为±1dB。

该团队制造的第二个放大器，尺寸为1.5 mm×0.75 mm，在162 GHz至217 GHz的范围内提供平均10 dB的小信号增益。直到220GHz，增益仍保持在7dB以上。对于这种放大器，射频产出率为81%，均匀性为±2 dB。对这两种设计都进行了大信号测量。使用195 GHz的输入扫频，第一款MMIC以613 mW/mm的功率密度提供高达16.9 dB的功率。功率附加效率为1.7%。对于8 dBm的输入功率，从185 GHz到205 GHz，输出超过14 dBm。第二款放大器以439 mW/mm的功率密度提供高达15 dBm的功率，相应的功率附加效率为1.1%。在170 GHz至220 GHz频段，使用7 dBm的输入，可以产生超过12 dB的输出。

?wikliński和同事们以HRL实验室和NASA的JPL团队制造的放大器为基准，对他们放大器的性能进行了比较（见图6）。Fraunhofer IAF制造的MMIC更胜一筹，在输出功率和高频方面都占有优势。

尽管取得了这一进展，GaN MMIC的性能仍需追赶基于InP的MMIC。据?wikliński介绍，劣势源于GaN HEMT的高频增益与InP基晶体管相比相对较低。

"当然，克服物理学上的困难、制造出比InP同类产品具有更高增益的GaN晶体管是很难的，”?wikliński说，"然而，无论是技术方面还是电路设计方面，我们仍然看到一些改进的空间。”

他认为，GaN MMIC有超越InP MMIC的能力。为了实现这一目标，必须使用高产量工艺生产出均匀度良好的高性能HEMT。而这将为实质性改进多级和多路组合构成的高频功率放大器打开一扇门。

?wikliński指出，在200GHz下运行的InP MMIC最先进的一点是在输出级中组合了16个晶体管。"在IMS2020上展示的工作中，输出功率降低了五倍，但仅在输出级使用单个GaN晶体管即可实现。"

他还暗示，InP技术似乎正在接近其在高频下的片上结合极限。该团队的目标之一是对其GaN工艺进行进一步改进，使其能够在100GHz以上运行的MMIC中成为一个有吸引力的选项，这种MMIC主要用于5G之后的下一代通信网络应用。

"长期目标是将我们的GaN HEMT工艺作为整个毫米波频谱（即至少300GHz）内功率放大器MMIC的主导技术。" 这种努力将有助于增加GaN放大器的吸引力。它们已经以其高功率密度和高功率附加效率而闻名，而令人印象深刻的带宽也指日可待。

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