【導讀】本文首次展示了一種基于多頻段發(fā)射器設計的可靠商用大功率放大器，該放大器采用了 Charles Campbell 演示的可重新配置的 PA 專利技術 [2,3,4]。可重新配置的 PA 采用可根據(jù)每個相關頻段的控制位設置重新配置的單輸入和單輸出匹配網(wǎng)絡。每個位設置針對特定頻段的最優(yōu)性能配置所有匹配網(wǎng)絡，從而使 PA 能夠在緊湊型封裝中實現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)級性能。這樣就可以減少整體尺寸和重量。這種新型可重新配置的 PA 設計方法可克服傳統(tǒng)多頻段發(fā)射前端設計的多個缺點。最明顯的優(yōu)勢就是可消除 PA 輸出的頻段選擇開關。從而將輸出損耗降低了 0.8-1.0 dB，使其與傳統(tǒng)設計方法相比具有明顯的優(yōu)勢。如果設計采用最佳負載阻抗和智能開關布局，可重新配置 PA 則可接近通過特定的獨立調(diào)諧頻段放大器實現(xiàn)的性能水平。
現(xiàn)代雷達系統(tǒng)配置為多頻段雷達，可在各種環(huán)境和目標條件下使用多個頻段來解析復雜的情景。這些系統(tǒng)可提供無與倫比的性能水平，并且能夠檢測和跟蹤敵對目標。例如，雙頻段雷達 (DBR) 是美國海軍艦隊使用的第一款能夠同時操作兩個頻段（S/X 頻段）的雷達系統(tǒng)，由單個資源管理器進行協(xié)調(diào) [1]。S 頻段信號不易受惡劣天氣和大氣衰減的影響。另一方面，X 頻段通常用于高分辨率的目標成像應用。目前大多數(shù)功率放大器 (PA) 都不適合多頻段雷達系統(tǒng)，因為所需的頻段相距太遠，且各個 PA 都在每個目標頻段上進行了優(yōu)化。有幾種方法可通過在各個 PA MMIC 之間切換來實現(xiàn)寬帶或多頻段特性。這些方法使用覆蓋兩個頻段的寬帶非均勻分布式 PA (NDPA) 或雙通帶功率放大器設計。
與寬帶放大器相比，可重新配置 PA 的優(yōu)勢更明顯。在寬帶放大器設計中，負載阻抗通常設計為低于最佳負載目標值，以實現(xiàn)高輸出網(wǎng)絡帶寬。寬帶放大器降低了輸出功率和功率附加效率 (PAE)。因此，合成最佳負載阻抗的能力是可重新配置 PA 設計的關鍵。這最終能夠增加放大器場效應晶體管 (FET) 外圍，從而在熱限制范圍內(nèi)最大限度地提高輸出功率。這些設計原理已在 Qorvo 的新產(chǎn)品 QPA0007** 中得以實現(xiàn)。QPA0007 是一款可重新配置的 30 W S/X 頻段功率放大器，采用了 Qorvo 150 nm 柵極長度 GaN HEMT 工藝技術 (QGanN15)。可重新配置放大器與寬帶和傳統(tǒng)多頻段方法之間的比較如圖 1 中所示。
圖 1：多頻段功率放大器前端比較
工藝和封裝技術
Qorvo 的 QGaN15 工藝技術非常適用于 X 頻段的高功率 PA 設計。它采用具有高柵漏擊穿電壓的快速晶體管，非常適合大功率應用。QGaN15 提供針對不同電路應用的多個工藝選項。對于 QPA0007，采用了一種專利工藝技術來提高設備和電路性能。頂部金屬層支持使用更窄的輸出匹配走線，從而在保持金屬電流密度設計規(guī)則的同時顯著減少物理面積。輸出網(wǎng)絡損耗對金屬厚度不是很敏感。在 X 頻段下，使用鈍化層會降低電路性能，但支持使用經(jīng)濟高效的封裝。在芯片上使用鈍化層的第二個好處是，與只使用無鈍化層的超模壓制封裝相比，它有助于提高 FET 和無源網(wǎng)絡建模精度。使用成本更高的氣腔封裝可消除鈍化層，從而實現(xiàn)更高的電路性能。
QPA0007 采用經(jīng)濟高效的超模壓制式 7mm x 6mm 電鍍散熱器 (PHS) 封裝技術。PHS 封裝非常有利于靈活設計，為設計人員提供了良好的片下散熱路徑，適用于中等輸出功率的設備。各種輸入和輸出連接以及比較大的焊盤間距可實現(xiàn)較高的 PCB 附件成品率。在評估板上 (EVB)，可從頂部或底部連接控制引腳以及柵極引腳。為實現(xiàn)漏極連接的可靠性，需從兩側進行連接。QPA0007 封裝引腳分配和尺寸，以及評估板如圖 2 所示。
Figure 2: QPA0007 PHS package and evaluation board
電路設計
從根本上說，QPA0007 就是一款兩級無功匹配的功率放大器。頻段切換由片上電平位移器控制的可切換電容和電感實現(xiàn)，該電平位移器可調(diào)整開關 FET 偏置電平。每個網(wǎng)絡的設計都旨在保持各頻段的最佳負載。與頻段特定的設計相比，這只需要進行較小的權衡。輸出網(wǎng)絡損耗是其中一個關鍵的設計參數(shù)，且受開關損耗的影響。幸運的是，與在 PA 輸出處使用單獨的頻段選擇開關相比，這些開關損耗比較小。無論是從整體損耗角度來看，還是從復雜性和大小角度來看，調(diào)諧開關數(shù)量都達到最低。通常，為實現(xiàn)低開關損耗，開關外圍往往會變大，因此關斷電容會比較高。關斷電容在確保開關元件的有效性方面發(fā)揮著重要作用。這限制了可切換并聯(lián)電容在輸出網(wǎng)絡中的可用性。通常情況下，S 頻段的調(diào)諧電感要比 X 頻段大得多。在信號路徑中，使用串聯(lián)開關來調(diào)諧串聯(lián)電感意義不大，因為會產(chǎn)生額外的開關損耗，應在實現(xiàn)接近最佳負載目標值方面做出適當妥協(xié)。
級間匹配網(wǎng)絡與輸出網(wǎng)絡的設計環(huán)境不同。級間匹配網(wǎng)絡受到帶寬和空間的限制，而不是損耗的限制。因此，可在多個位置使用較小的開關，以實現(xiàn)最佳負載目標值。
比較輸出和級間網(wǎng)絡時，輸入網(wǎng)絡的損耗要求比較寬松，且擁有更多的開關和控制信號空間，所以具有最大的靈活性。輸入網(wǎng)絡和級間網(wǎng)絡對放大器的穩(wěn)定性能都具有一定的影響。增加額外損耗可確保在各種工作條件下的穩(wěn)定性，尤其是極寒條件下。調(diào)諧電容和 FET 端子設計能夠在最大輸入驅(qū)動條件下承受較高的電壓常駐波形無線電 (VSWR) 負載條件，以避免擊穿。
最后，整體設計挑戰(zhàn)是在不破壞 X 頻段增益的同時限制 S 頻段小信號增益。較低頻率 FET 性能有助于提高 S 頻段性能，但在不降低 X 頻段性能的情況下擴展低端帶寬的挑戰(zhàn)會限制 S 頻段性能。即使采用可切換調(diào)諧元件，這也極具挑戰(zhàn)性。
性能
QPA0007 經(jīng)過調(diào)諧可覆蓋 S 頻段 3.1-3.5 GHz 和 X 頻段 9-11 GHz。這兩個頻段切換信號互補，S 頻段為 0 V 和 -10 V，X 頻段為 -10 V 和 0 V。控制信號會導致 5 mA 的拉電流或灌電流，取決于頻段選擇。
在不低于 26V 的條件下，QPA0007 的靜態(tài)偏置電流為 700 mA。由于輸入功率會迫使漏極電流上升，輸出功率和 PAE 完全不受靜態(tài)偏置電流的影響。因此，可以根據(jù)其他性能參數(shù)（如小信號增益和切換時間）來設置靜態(tài)偏置電流。
所有報告的測量結果都是從生產(chǎn) EVB 那里獲得，并使用 QPA0007 輸入和輸出引腳進行了校準。在 25℃ 條件下，測得的 S 頻段小信號增益為 27 dB，X 頻段小信號增益為 23 dB。這種小信號增益差反映了 FET 在整個頻段中的性能變化。S 頻段的輸入回波損耗高于 20 dB，而 X 頻段則為 10 dB。測得的 S 參數(shù)如圖 3 所示。
圖 3：QPA0007 S/X 頻段 S 參數(shù)
在 S 頻段下，QPA0007 的輸出功率為 45 dBm，PAE 為 48%。最佳工作點的大信號增益為 21 dB，電流消耗為 2.6 A。在 X 頻段下，輸出功率為 44.5 dBm，PAE 為 32%。大信號增益為 18.5 dB，電流消耗為 3.6 A。這些結果是在漏極脈沖為 100 µs/1 ms 條件下測得的。圖 4 為S/X 頻段大信號性能曲線
圖 4：S/X 頻段輸出功率和 PAE
諧波是在 50 Ω 負載下測得的。S 頻段的第二諧波低于 -25 dBc，第三諧波為 -25 dBc。X 頻段的第二和第三諧波分別為 -35 dBc 和 -55 dBc。
QPA0007 的小信號和驅(qū)動穩(wěn)定性已在 -40℃、VSWR 為 10:1 的負載條件下進行了測試。設備可靠性已在 85℃、VSWR 為 3:1 的負載條件下使用極端輸入驅(qū)動進行了測試，結果無任何性能下降。
切換時間可分為兩類：射頻信號打開時無頻段切換和頻段切換的同時射頻打開。在實際應用中，可能不需要在頻段切換的同時打開射頻，但這可以說明設備的能力。頻段范圍內(nèi)的切換時間不到 100 ns。頻段切換的同時打開射頻的時間不到 1 µs。在兩種使用條件下，射頻關斷幾乎都是瞬間完成。
在 100 µs 脈沖寬度和 1 ms 脈沖周期期間，S 頻段下的功耗為 40 W，而 X 頻段下為 70 W。可通過使用漏極脈沖或射頻脈沖來實現(xiàn)脈沖。在 85℃ 基板溫度條件下，這種脈沖特性可將設備結溫保持在低于長期穩(wěn)定性限值。完成了綜合熱分析，以驗證基于測量數(shù)據(jù)的熱分析結論。QPA0007 完全符合 MSL 3 和 HBM 250V 額定生產(chǎn)要求。表 1 總結了測得的 EVB 結果。
表 1：QPA0007 測量的數(shù)據(jù)性能摘要
總結
與傳統(tǒng)的頻段切換功率放大器前端相比，本文所展示的可重新配置的多頻段功率放大器方法具有明顯優(yōu)勢。Qorvo 的 QPA0007 采用了專利技術，是業(yè)界首款使用同一設備在 S/X 頻段下都能改進輸出功率和效率性能的產(chǎn)品。此外，QPA0007 可為客戶提供外形尺寸具有競爭力的高性價比大規(guī)模封裝。
*《微波產(chǎn)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
致謝
作者感謝 Terry Hon、Paul Prudhomme、Gregory Clark、Sujo Vegus、Gary Petree 和 Reilly Martinez 的個人貢獻和出色支持。
參考文獻：
[1] https://www.raytheon.com/capabilities/products/dbr
[2] Campbell, C. F. 等人《可采用電子方式重新配置的匹配網(wǎng)絡》美國專利 10,164,587，于 2018 年 12 月 25 日發(fā)表。
[3] Campbell, C. F.、Kobayashi, K. W. 和 Lee, C.《可重新配置的 S/X 頻段 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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