您现在的位置: 通信界 >> 通信终端 >> 技术正文  
 
RF功放的带宽和功率如何拓宽?
[ 通信界 / 陈瑾 / www.cntxj.net / 2018/9/13 20:17:23 ]
 
电信行业不断需要更高的数据速率,工业系统不断需要更高的分辨率,这助推了满足这些需求的电子设备工作频率的不断上升。许多系统可以在较宽的频谱中工作,新设计通常也会有进一步增加带宽的要求。在许多这样的系统中,人们倾向于使用一个涵盖所有频带的信号链。半导体技术的进步使高功率宽带放大器功能突飞猛进。GaN革命席卷了整个行业,并且可以让MMIC在几十种带宽下生成1 W以上的功率,因此,这个过去由行波管主导的领域已经开始让步于半导体设备。更短栅极长度的GaAs和GaN晶体管的出现以及电路设计技术的升级,衍生了一些可以轻松操作毫米波频率的新设备,开启了几十年前难以想象的新应用。本文将简要描述支持这些发展的半导体技术的状态、实现最佳性能的电路设计考虑因素,还列举了展现当今技术的GaAs和GaN宽带功率放大器(PA)。
 
5a9cc6220c7a8-thumb
过去几年,行波管(TWT)放大器一直将更高功率电子设备作为许多这类系统中的输出功率放大器级。TWT拥有一些不错的特性,包括千瓦级功率、倍频程带宽或者甚至多倍频程带宽操作、高效回退操作以及良好的温度稳定性。TWT也有一些缺陷,其中包括较差的长期可靠性、较低效率,并且需要非常高的电压(大约1 kV或以上)才能工作。关于半导体IC的长期稳定性,这些年电子设备一直向前发展,首当其冲的就是GaAs。在可能的情况下,许多系统工程师一直努力组合多个GaAs IC,生成大输出功率。整个公司都完全建立在技术组合和有效实施的基础之上。进而孕育了许多不同类型的组合技术,如空间组合、企业组合等。这些组合技术全都面临着相同的命运——组合造成了损耗,幸运的是,并不一定要使用这些组合技术。这激励我们使用高功率电子设备开始设计。提高功率放大器RF功率的最简单的方式就是增加电压,这让氮化镓晶体管技术极具吸引力。如果我们对比不同半导体工艺技术,就会发现功率通常会如何随着高工作电压IC技术而提高。硅锗(SiGe)技术采用相对较低的工作电压(2V至3V),但其集成优势非常有吸引力。GaAs拥有微波频率和5 V至7 V的工作电压,多年来一直广泛应用于功率放大器。硅基LDMOS技术的工作电压为28 V,已经在电信领域使用了许多年,但其主要在4GHz以下频率发挥作用,因此在宽带应用中的使用并不广泛。新兴GaN技术的工作电压为28V至50V,拥有低损耗、高热传导基板(如碳化硅,SiC),开启了一系列全新的可能应用。如今,硅基GaN技术局限于6 GHz以下工作频率。硅基板相关的RF损耗及其相对SiC的较低热传导性能则抵消了增益、效率和随频率增加的功率优势。图1对比了不同半导体技术并显示了其相互比较情况。
5a9cc623e5d88-thumb
图1. 微波频率范围功率电子设备的工艺技术对比。
 
5a9cc626ad9f0-thumb
图2. 多级GaAs功率放大器和等效GaN功率放大器的比较。
 5a9cc62c62e11-thumb
兰格耦合器
实现宽带宽设计的一种方法就是在RF输入和输出端使用兰格耦合器实现均衡设计,如图3所示。这里的回波损耗最终取决于耦合器设计,因为这将更容易优化增益和频率功率响应,并且无需优化回波损耗。即便是在使用兰格耦合器的情况下,也更难实现倍频程带宽,但却可以让设计实现不错的回波损耗。

5a9cc62c5bc11-thumb
图3. 采用兰格耦合器的均衡放大器。
 

分布式放大器

另一个要考虑的拓扑就是分布式功率放大器,如图4所示。分布式功率放大器的优势可通过在设备间的匹配网络中应用晶体管的寄生效应来实现。设备的输入和输出电容可以分别与栅极和漏极线路电感合并,让传输线路变得几乎透明,传输线路损耗除外。这样,放大器的增益应该仅受限于设备的跨导性,而非设备相关的电容寄生性能。仅当沿栅极线路向下传输的信号与沿漏极线路向下传输的信号同相时,才会发生这种情况。因此,每个晶体管的输出电压将与之前的晶体管输出同相。向输出端传输的信号将会积极干扰,因此,信号会随着漏极线路而增强。任何反向波都会肆意干扰信号,因为这些信号不会同相。其中包含栅极线路端电极,可吸收任何未耦合至晶体管栅极的信号。还包含漏极线路端电极,可吸收任何可能肆意干扰输出信号并改善低频率下回波损耗的反向行波。因此,在几十种带宽下都可实现从kHz到GHz级的频率。当需要多个倍频程带宽时,这种拓扑就会变得非常受欢迎,并且还带来了几个不错的优势,如平稳增益、良好的回波损耗、高功率等。图4显示了分布式放大器的一个例证。

5a9cc62c7a519-thumb
 
图4. 分布式放大器的简化框图。
 
在这里,分布式放大器面临的一个挑战就是,功率功能由设备所使用的电压决定。由于不存在窄带调节功能,所以您可以实质上向晶体管提供50 Ω或接近于50 Ω的电阻。在等式1中,PA的平均功率、RL或最佳负载电阻实质上将变成50 Ω。因此,可实现的输出功率由施加到放大器的电压设定,所以,如果我们想要增加输出功率,就需要增加施加到放大器的电压。
 
5a9cc63165946-thumb

关于提供最佳功率、效率和带宽的权衡,我们已经说明了各种不同的技巧和半导体技术。每一种不同拓扑和技术都有可能在半导体市场占据一席之地,这是因为它们每一个都有优势,这也是它们能够在当前生存的原因所在。这里,我们将关注几个值得信赖的结果,展现这些当前技术在实现高功率、效率和带宽时的可能性。
 
我们再来了解一下基于GaN技术可以做些什么。ADI公司推出了一款标准产品HMC8205BF10,它基于GaN技术,具有高功率、高效率 和宽带宽。该产品的工作电源电压为50 V,在35%的典型频率下可提供35 W RF功率,带20 dB左右的功率增益,覆盖几十种带宽。这种情况下,相比类似的GaAs方案,我们只需要一个IC就能提供高出约10倍的功率。在过去数年,这可能需要复杂的GaAs芯片组合方案,并且无法实现相同的效率。该产品展示了使用GaN技术的各种可能性,包括覆盖宽带宽,提供高功率和高效率,如图6所示。这还展现了高功率电子设备封装技术的发展历程,因为这个采用法兰封装的器件能够支持许多军事应用所需的连续波(CW)信号。

5a9cc634464a2-thumb
 
图6. HMC8205BF10功率增益、PSAT以及PAE和频率的关系。
 
总结
GaN等全新半导体材料的出现开启了实现覆盖宽带宽的更高功率水平的可能性。较短的栅极长度GaAs设备的频率范围已经从20 GHz扩展到了40 GHz及以上。这些器件的可靠性几乎已经超过了100万小时,普遍应用于当今的电子设备系统中。未来,我们预计会持续向更高频率和更宽带宽发展。

 

作者:陈瑾 合作媒体:通信界 编辑:顾北

 

 

 
 热点技术
普通技术 “5G”,真的来了!牛在哪里?
普通技术 5G,是伪命题吗?
普通技术 云视频会议关键技术浅析
普通技术 运营商语音能力开放集中管理方案分析
普通技术 5G网络商用需要“无忧”心
普通技术 面向5G应运而生的边缘计算
普通技术 简析5G时代四大关键趋势
普通技术 国家网信办就《数据安全管理办法》公开征求意见
普通技术 《车联网(智能网联汽车)直连通信使用5905-5925MHz频段管理规定(
普通技术 中兴通讯混合云解决方案,满足5G多元业务需求
普通技术 大规模MIMO将带来更多无线信道,但也使无线信道易受攻击
普通技术 蜂窝车联网的标准及关键技术及网络架构的研究
普通技术 4G与5G融合组网及互操作技术研究
普通技术 5G中CU-DU架构、设备实现及应用探讨
普通技术 无源光网络承载5G前传信号可行性的研究概述
普通技术 面向5G中传和回传网络承载解决方案
普通技术 数据中心布线系统可靠性探讨
普通技术 家庭互联网终端价值研究
普通技术 鎏信科技CEO刘舟:从连接层构建IoT云生态,聚焦CMP是关键
普通技术 SCEF引入需求分析及部署应用
  版权与免责声明: ① 凡本网注明“合作媒体:通信界”的所有作品,版权均属于通信界,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已经本网授权使用作品的,应在授权范围内使用,并注明“来源:通信界”。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。 ② 凡本网注明“合作媒体:XXX(非通信界)”的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。 ③ 如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一月内进行。
通信视界
华为余承东:Mate30总体销量将会超过两千万部
赵随意:媒体融合需积极求变
普通对话 苗圩:建设新一代信息基础设施 加快制造业数字
普通对话 华为余承东:Mate30总体销量将会超过两千万部
普通对话 赵随意:媒体融合需积极求变
普通对话 韦乐平:5G给光纤、光模块、WDM光器件带来新机
普通对话 安筱鹏:工业互联网——通向知识分工2.0之路
普通对话 库克:苹果不是垄断者
普通对话 华为何刚:挑战越大,成就越大
普通对话 华为董事长梁华:尽管遇到外部压力,5G在商业
普通对话 网易董事局主席丁磊:中国正在引领全球消费趋
普通对话 李彦宏:无人乘用车时代即将到来 智能交通前景
普通对话 中国联通研究院院长张云勇:双轮驱动下,工业
普通对话 “段子手”杨元庆:人工智能金句频出,他能否
普通对话 高通任命克里斯蒂安诺·阿蒙为公司总裁
普通对话 保利威视谢晓昉:深耕视频技术 助力在线教育
普通对话 九州云副总裁李开:帮助客户构建自己的云平台
通信前瞻
杨元庆:中国制造高质量发展的未来是智能制造
对话亚信科技CTO欧阳晔博士:甘为桥梁,携"电
普通对话 杨元庆:中国制造高质量发展的未来是智能制造
普通对话 对话亚信科技CTO欧阳晔博士:甘为桥梁,携"电
普通对话 对话倪光南:“中国芯”突围要发挥综合优势
普通对话 黄宇红:5G给运营商带来新价值
普通对话 雷军:小米所有OLED屏幕手机均已支持息屏显示
普通对话 马云:我挑战失败心服口服,他们才是双11背后
普通对话 2018年大数据产业发展试点示范项目名单出炉 2
普通对话 陈志刚:提速又降费,中国移动的两面精彩
普通对话 专访华为终端何刚:第三代nova已成为争夺全球
普通对话 中国普天陶雄强:物联网等新经济是最大机遇
普通对话 人人车李健:今年发力金融 拓展汽车后市场
普通对话 华为万飚:三代出贵族,PC产品已走在正确道路
普通对话 共享退潮单车入冬 智享单车却走向盈利
普通对话 Achronix发布新品单元块 推动eFPGA升级
普通对话 金柚网COO邱燕:天吴系统2.0真正形成了社保管