利用可采用电子方式重新配置的 GaN 功率放大器,彻底改变雷达设计

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来源Qorvo半导体
 
本博文最早刊登在《微波产品摘要》*中
 
本文首次展示了一种基于多频段发射器设计的可靠商用大功率放大器,该放大器采用了 Charles Campbell 演示的可重新配置的 PA 专利技术 [2,3,4]。可重新配置的 PA 采用可根据每个相关频段的控制位设置重新配置的单输入和单输出匹配网络。每个位设置针对特定频段的最优性能配置所有匹配网络,从而使 PA 能够在紧凑型封装中实现最优系统级性能。这样就可以减少整体尺寸和重量。这种新型可重新配置的 PA 设计方法可克服传统多频段发射前端设计的多个缺点。最明显的优势就是可消除 PA 输出的频段选择开关。从而将输出损耗降低了 0.8-1.0 dB,使其与传统设计方法相比具有明显的优势。如果设计采用最佳负载阻抗和智能开关布局,可重新配置 PA 则可接近通过特定的独立调谐频段放大器实现的性能水平。
 
现代雷达系统配置为多频段雷达,可在各种环境和目标条件下使用多个频段来解析复杂的情景。这些系统可提供无与伦比的性能水平,并且能够检测和跟踪敌对目标。例如,双频段雷达 (DBR) 是美国海军舰队使用的第一款能够同时操作两个频段(S/X 频段)的雷达系统,由单个资源管理器进行协调 [1]。S 频段信号不易受恶劣天气和大气衰减的影响。另一方面,X 频段通常用于高分辨率的目标成像应用。目前大多数功率放大器 (PA) 都不适合多频段雷达系统,因为所需的频段相距太远,且各个 PA 都在每个目标频段上进行了优化。有几种方法可通过在各个 PA MMIC 之间切换来实现宽带或多频段特性。这些方法使用覆盖两个频段的宽带非均匀分布式 PA (NDPA) 或双通带功率放大器设计。
 
与宽带放大器相比,可重新配置 PA 的优势更明显。在宽带放大器设计中,负载阻抗通常设计为低于最佳负载目标值,以实现高输出网络带宽。宽带放大器降低了输出功率和功率附加效率 (PAE)。因此,合成最佳负载阻抗的能力是可重新配置 PA 设计的关键。这最终能够增加放大器场效应晶体管 (FET) 外围,从而在热限制范围内最大限度地提高输出功率。这些设计原理已在 Qorvo 的新产品 QPA0007** 中得以实现。QPA0007 是一款可重新配置的 30 W S/X 频段功率放大器,采用了 Qorvo 150 nm 栅极长度 GaN HEMT 工艺技术 (QGanN15)。可重新配置放大器与宽带和传统多频段方法之间的比较如图 1 中所示。
 
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图 1:多频段功率放大器前端比较
 
工艺和封装技术
 
Qorvo 的 QGaN15 工艺技术非常适用于 X 频段的高功率 PA 设计。它采用具有高栅漏击穿电压的快速晶体管,非常适合大功率应用。QGaN15 提供针对不同电路应用的多个工艺选项。对于 QPA0007,采用了一种专利工艺技术来提高设备和电路性能。顶部金属层支持使用更窄的输出匹配走线,从而在保持金属电流密度设计规则的同时显著减少物理面积。输出网络损耗对金属厚度不是很敏感。在 X 频段下,使用钝化层会降低电路性能,但支持使用经济高效的封装。在芯片上使用钝化层的第二个好处是,与只使用无钝化层的超模压制封装相比,它有助于提高 FET 和无源网络建模精度。使用成本更高的气腔封装可消除钝化层,从而实现更高的电路性能。
 
QPA0007 采用经济高效的超模压制式 7mm x 6mm 电镀散热器 (PHS) 封装技术。PHS 封装非常有利于灵活设计,为设计人员提供了良好的片下散热路径,适用于中等输出功率的设备。各种输入和输出连接以及比较大的焊盘间距可实现较高的 PCB 附件成品率。在评估板上 (EVB),可从顶部或底部连接控制引脚以及栅极引脚。为实现漏极连接的可靠性,需从两侧进行连接。QPA0007 封装引脚分配和尺寸,以及评估板如图 2 所示。
 
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Figure 2: QPA0007 PHS package and evaluation board
 
电路设计
 
从根本上说,QPA0007 就是一款两级无功匹配的功率放大器。频段切换由片上电平位移器控制的可切换电容和电感实现,该电平位移器可调整开关 FET 偏置电平。每个网络的设计都旨在保持各频段的最佳负载。与频段特定的设计相比,这只需要进行较小的权衡。输出网络损耗是其中一个关键的设计参数,且受开关损耗的影响。幸运的是,与在 PA 输出处使用单独的频段选择开关相比,这些开关损耗比较小。无论是从整体损耗角度来看,还是从复杂性和大小角度来看,调谐开关数量都达到最低。通常,为实现低开关损耗,开关外围往往会变大,因此关断电容会比较高。关断电容在确保开关元件的有效性方面发挥着重要作用。这限制了可切换并联电容在输出网络中的可用性。通常情况下,S 频段的调谐电感要比 X 频段大得多。在信号路径中,使用串联开关来调谐串联电感意义不大,因为会产生额外的开关损耗,应在实现接近最佳负载目标值方面做出适当妥协。
 
级间匹配网络与输出网络的设计环境不同。级间匹配网络受到带宽和空间的限制,而不是损耗的限制。因此,可在多个位置使用较小的开关,以实现最佳负载目标值。
 
比较输出和级间网络时,输入网络的损耗要求比较宽松,且拥有更多的开关和控制信号空间,所以具有最大的灵活性。输入网络和级间网络对放大器的稳定性能都具有一定的影响。增加额外损耗可确保在各种工作条件下的稳定性,尤其是极寒条件下。调谐电容和 FET 端子设计能够在最大输入驱动条件下承受较高的电压常驻波形无线电 (VSWR) 负载条件,以避免击穿。
 
最后,整体设计挑战是在不破坏 X 频段增益的同时限制 S 频段小信号增益。较低频率 FET 性能有助于提高 S 频段性能,但在不降低 X 频段性能的情况下扩展低端带宽的挑战会限制 S 频段性能。即使采用可切换调谐元件,这也极具挑战性。
 
性能
 
QPA0007 经过调谐可覆盖 S 频段 3.1-3.5 GHz 和 X 频段 9-11 GHz。这两个频段切换信号互补,S 频段为 0 V 和 -10 V,X 频段为 -10 V 和 0 V。控制信号会导致 5 mA 的拉电流或灌电流,取决于频段选择。
 
在不低于 26V 的条件下,QPA0007 的静态偏置电流为 700 mA。由于输入功率会迫使漏极电流上升,输出功率和 PAE 完全不受静态偏置电流的影响。因此,可以根据其他性能参数(如小信号增益和切换时间)来设置静态偏置电流。
 
 
 
所有报告的测量结果都是从生产 EVB 那里获得,并使用 QPA0007 输入和输出引脚进行了校准。在 25℃ 条件下,测得的 S 频段小信号增益为 27 dB,X 频段小信号增益为 23 dB。这种小信号增益差反映了 FET 在整个频段中的性能变化。S 频段的输入回波损耗高于 20 dB,而 X 频段则为 10 dB。测得的 S 参数如图 3 所示。
 
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图 3:QPA0007 S/X 频段 S 参数
 
在 S 频段下,QPA0007 的输出功率为 45 dBm,PAE 为 48%。最佳工作点的大信号增益为 21 dB,电流消耗为 2.6 A。在 X 频段下,输出功率为 44.5 dBm,PAE 为 32%。大信号增益为 18.5 dB,电流消耗为 3.6 A。这些结果是在漏极脉冲为 100 µs/1 ms 条件下测得的。图 4 为S/X 频段大信号性能曲线
 
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图 4:S/X 频段输出功率和 PAE
谐波是在 50 Ω 负载下测得的。S 频段的第二谐波低于 -25 dBc,第三谐波为 -25 dBc。X 频段的第二和第三谐波分别为 -35 dBc 和 -55 dBc。
 
QPA0007 的小信号和驱动稳定性已在 -40℃、VSWR 为 10:1 的负载条件下进行了测试。设备可靠性已在 85℃、VSWR 为 3:1 的负载条件下使用极端输入驱动进行了测试,结果无任何性能下降。
 
切换时间可分为两类:射频信号打开时无频段切换和频段切换的同时射频打开。在实际应用中,可能不需要在频段切换的同时打开射频,但这可以说明设备的能力。频段范围内的切换时间不到 100 ns。频段切换的同时打开射频的时间不到 1 µs。在两种使用条件下,射频关断几乎都是瞬间完成。
 
在 100 µs 脉冲宽度和 1 ms 脉冲周期期间,S 频段下的功耗为 40 W,而 X 频段下为 70 W。可通过使用漏极脉冲或射频脉冲来实现脉冲。在 85℃ 基板温度条件下,这种脉冲特性可将设备结温保持在低于长期稳定性限值。完成了综合热分析,以验证基于测量数据的热分析结论。QPA0007 完全符合 MSL 3 和 HBM 250V 额定生产要求。表 1 总结了测得的 EVB 结果。
 
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表 1:QPA0007 测量的数据性能摘要
总结
 
与传统的频段切换功率放大器前端相比,本文所展示的可重新配置的多频段功率放大器方法具有明显优势。Qorvo 的 QPA0007 采用了专利技术,是业界首款使用同一设备在 S/X 频段下都能改进输出功率和效率性能的产品。此外,QPA0007 可为客户提供外形尺寸具有竞争力的高性价比大规模封装。
 
*《微波产品摘要》
 
https://www.mpdigest.com/2021/05/21/revolutionizing-radar-design-with-electronically-reconfigurable-gan-power-amplifiers/
 
** QPA0007
 
https://www.qorvo.com/products/p/QPA0007
 
 
致谢
 
作者感谢 Terry Hon、Paul Prudhomme、Gregory Clark、Sujo Vegus、Gary Petree 和 Reilly Martinez 的个人贡献和出色支持。
 
参考文献:
 
[1] https://www.raytheon.com/capabilities/products/dbr
 
[2] Campbell, C. F. 等人《可采用电子方式重新配置的匹配网络》美国专利 10,164,587,于 2018 年 12 月 25 日发表。
 
[3] Campbell, C. F.、Kobayashi, K. W. 和 Lee, C.《可重新配置的 S/X 频段 25W GaN 功率放大器 MMIC》,2019 年 GOMAC-Tech。
 
[4] http://imapsne.org/virtualCDs/2019/2019%20Presentations/C/C2.pdf
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