GaN功率放大技术应用简介

利用波导结构加以合并（图1）。 该放大器可以安装在标准19英寸机壳中。 该放大器的当前设计（图2）采用水冷，其他采用空冷的版本正在开发当中。 表1给出了水冷8 kW GaN PA的性能摘要。

图1. 基于GaN的固态功率放大器能够在X波段提供8kW输出功率

表1. 8 kW PA典型性能

8 kW SSPA支持将多个模块式SSPA合并以产生更高的功率水平。 目前正在开发含有三个这样的8 kW SSPA模块的放大器，其在相同频率范围上可实现24 kW的峰值输出功率水平。 其他实现32 kW功率水平的配置也是可行的，目前正在考虑以供进一步评估。

ADI公司当前正在开发一种高级功率模块，也是基于GaN技术，其RF/微波输出功率将是当前模块的两倍。 该模块采用密封设计，支持在极端环境下工作。 结合下一代合并结构和更低的插入损耗（与当前方法相比），它将把RF/微波频率的脉冲输出功率提高到接近75 kW到100 kW的水平。 这些先进的高功率SSPA将包括控制和处理器功能，支持故障监控、内置测试(BIT)功能、远程诊断测试以及对MMIC器件（为放大器供电）的快速实时偏置控制电路进行控制。

此类GaN固态功率放大器旨在解决业界对宽瞬时带宽、高输出功率放大器的需求。 某些系统尝试利用通道化或多个放大器来满足这些要求，每个放大器覆盖所需频谱的一部分并接入一个多路复用器。 这会提高成本和复杂性，并导致在多路复用器的频率交越点处出现空隙。 更有效的替代解决方案是以更高的功率水平连续覆盖宽频率范围，这已经通过两个不同的GaN放大器得到实现，一个放大器覆盖VHF至L波段频率，另一个覆盖2 GHz至18 GHz。

图2. GaN、X波段固态功率放大器的结构和器件的框图

针对VHF到S波段频率，ADI公司开发了一款尺寸非常小、功能丰富、多倍频程的放大器，其在115 MHz到2000 MHz范围内可提供50 W输出功率。 在全频率范围内，当馈入0 dBm的标称输入信号时，该放大器可实现46 dBm（典型值40 W）的输出功率水平。

该放大器采用尺寸为7.3" × 3.6" × 1.4"的紧凑式封装，具有BIT功能，可提供热和电流过载保护及遥测报告，并集成DC-DC转换器以实现最佳RF性能，输入电源范围是26 VDC到30 VDC。 图3所示为该放大器的照片，输出功率的典型实测性能数据与频率的关系如图4所示。

图3. 连续波(CW)、50 W、固态功率放大器，工作频率范围为115 MHz至2000 MHz

图4. 50 W、115 MHz至2000 MHz功率放大器的输出功率与频率的关系

针对2 GHz以上的宽带应用，ADI公司也开发了一款GaN放大器，其可在2 GHz到18 GHz频段产生50 W连续波(CW)输出功率。 这款放大器采用商用10 W GaN MMIC，其输出功率贡献通过宽带低损耗功率合成器加以合并。 多个这样的放大器也可以合并，以在同样的2 GHz到18 GHz带宽产生高达200 W的输出功率。 驱动放大器链也是基于有源GaN器件。 该放大器采用48 VDC供电，内置稳压器和高速开关电路，支持脉冲操作，具有良好的脉冲保真度和快速上升/下降时间。 表2列出的这款放大器的规格。 图5所示为该放大器的照片，图6显示了该放大器的输出功率与频率（2 GHz至18 GHz）的函数关系。

表2. 典型宽带SSPA性能

图5. 50 W、CW输出功率放大器，工作频率范围为2 GHz至18 GHz

图6. 50 W、2 GHz至18 GHz功率放大器的输出功率与频率的关系

这款50 W放大器是2 GHz到18 GHz频段系列放大器中的一员。 ADI公司还开发了一款12 W输出功率的紧凑型台式放大器（图7）和一款100 W输出功率的机架安装单元（图8）。 频率范围从2 GHz到6 GHz以及从6 GHz到18 GHz的其他放大器正在开发中。 ADI公司还在努力将这些宽带放大器的输出功率从当前水平提高到200 W及更高水平。 为了实现更高的输出功率水平，ADI公司正在开发高输出功率模块和宽带RF功率合成器，其合并效率将大为改善，损耗也低于当前功率合成器。

图7. 宽带2 GHz至18 GHz功率放大器，在全频率范围产生12 W CW输出功率

图8. 2 GHz至18 GHz固态功率放大器，在全频率范围产生100 W CW输出功率

以上是利用GaN固态放大器可实现的性能水平的几个例子。 随着更多GaN半导体供应商转向更大尺寸的晶圆，以及每片晶圆的良品率持续提高，将来此类放大器的单位成本有望降低。 随着栅极长度的缩短，基于GaN的SSPA将能支持更高的工作频率，因此会有越来越多的GaN器件用于工作在毫米波频率的系统。 显而易见，当前GaN改善性能并降低成本的趋势应当会持续一段时间。