在当今科技蓬勃发展的时代，电信行业对更高数据速率的追求从未停止，工业系统也不断渴望更高的分辨率，这一切都如同强大的引擎，推动着电子设备工作频率持续攀升。众多系统不仅要在宽广的频谱中稳定运行，新的设计更是对增加带宽提出了更高要求。在这样的大背景下，RF 功率放大器的性能提升成为了关键所在，而 GaN 技术的出现，恰似一场及时雨，为该领域带来了前所未有的变革。
曾经，在许多需要高功率输出的电子系统中，行波管（TWT）放大器长期占据着输出功率放大器级的重要位置。它确实有着不少可圈可点之处，比如能输出千瓦级的高功率，具备倍频程甚至多倍频程带宽操作能力，在高效回退操作方面表现出色，而且温度稳定性良好。然而，TWT 的缺点也较为明显，长期可靠性欠佳，效率较低，并且工作时需要高达 1kV 或以上的高电压，这在实际应用中带来了诸多不便。随着半导体技术的逐步发展，GaAs 等半导体 IC 开始崭露头角。许多系统工程师尝试将多个 GaAs IC 组合起来，以获得更大的输出功率，由此也催生了多种组合技术。但这些组合技术都面临着组合损耗的问题。直到 GaN 晶体管技术的出现，为高功率电子设备的设计带来了新的曙光。与其他半导体工艺技术相比，GaN 技术优势显著。硅锗（SiGe）技术工作电压相对较低，在 2V 至 3V 之间，虽有集成优势，但功率提升受限。GaAs 工作在微波频率，电压为 5V 至 7V，多年来在功率放大器领域广泛应用。硅基 LDMOS 技术工作电压为 28V，在电信领域应用多年，不过主要在 4GHz 以下频率发挥作用，在宽带应用方面存在局限。而新兴的 GaN 技术工作电压在 28V 至 50V 之间，搭配低损耗、高热传导的碳化硅（SiC）基板，开启了一系列全新的应用可能。尽管目前硅基 GaN 技术在 6GHz 以下工作频率存在一定限制，但其潜力依然巨大。
在电路设计方面，为了从宽带功率放大器中获取更大的功率、带宽和效率，工程师们有着多种选择。常见的单块放大器设计类型是多级、共源、基于晶体管的级联放大器设计。在这种设计中，每一级增益的叠加能够实现高增益，并且可以通过增加输出晶体管的大小来提升 RF 功率。GaN 技术在这方面优势明显，它能够大幅简化输出合成器，减少损耗，进而提高效率，缩小芯片尺寸。同时，实现相同的 RF 功率水平，使用 GaN 技术的晶体管尺寸更小，每级增益更高，所需设计级更少，效率也更高。然而，即使借助 GaN 技术，级联放大器要实现倍频程带宽仍存在一定难度。
为了实现宽带宽设计，还有其他拓扑结构可供选择。比如在 RF 输入和输出端使用兰格耦合器进行均衡设计，这种方式能够优化增益和频率功率响应，不过实现倍频程带宽依然颇具挑战，但能获得不错的回波损耗。另一种值得考虑的拓扑是分布式功率放大器，它巧妙地利用了晶体管的寄生效应。通过将设备的输入和输出电容分别与栅极和漏极线路电感合并，使传输线路几乎透明，放大器的增益主要取决于设备的跨导性，而非电容寄生性能。这种设计在几十种带宽下都可实现从 kHz 到 GHz 级的频率，具备平稳增益、良好回波损耗和高功率等优势。不过，分布式放大器的功率由设备所使用的电压决定，且不存在窄带调节功能，要增加输出功率，就需要提高施加到放大器的电压，这也凸显了 GaN 技术高工作电压的优势。
目前，市场上已经出现了不少基于这些技术的优秀产品。例如 ADI 公司基于 GaAs 的分布式功率放大器产品 HMC994A，工作频率范围覆盖直流至 30GHz，能在多种应用场景中发挥作用。它的饱和输出功率大于 1 瓦，功率附加效率（PAE）典型值为 25%，三阶交调截点（TOI）性能标准值为 38dBm，在效率方面接近许多窄带功率放大器设计。而 ADI 公司基于 GaN 技术的 HMC8205BF10 更是表现卓越，工作电源电压为 50V，在 35% 的典型频率下可提供 35W RF 功率，功率增益约 20dB，覆盖宽带宽。相比类似的 GaAs 方案，它只需一个 IC 就能提供高出约 10 倍的功率，充分展示了 GaN 技术在高功率、高效率和宽带宽方面的巨大潜力。
GaN 等新型半导体材料的诞生，为 RF 功率放大器实现更宽带宽和更高功率开辟了新的道路。如今，较短栅极长度的 GaAs 设备频率范围不断扩展，可靠性也大幅提升，已广泛应用于各类电子设备系统。展望未来，随着技术的持续进步，我们有理由相信，RF 功率放大器将朝着更高频率和更宽带宽的方向不断迈进，为电信、工业等众多领域的发展注入源源不断的动力。
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发表于 2025-3-17 16:54:17
