半导体技术新突破：GaAs 与 GaN 如何重塑宽带功率放大器格局
半导体技术新突破：GaAs 与 GaN 如何重塑宽带功率放大器格局
在当今科技飞速迭代的时代，电子设备领域正经历着一场深刻变革。电信行业对超高速数据传输的迫切渴望，工业系统对极致分辨率的不懈追求，共同推动着各类电子设备不断向更高工作频率演进。众多复杂系统不仅需要在极为宽泛的频谱范围内稳定运行，对带宽的需求也呈指数级增长，甚至衍生出以单一信号链覆盖全频段的创新设想。在这一宏大的技术发展浪潮中，半导体技术无疑是最为关键的推动力量，尤其是 GaAs（砷化镓）与GaN（氮化镓）技术的崛起，正以颠覆性的力量重塑宽带功率放大器（PA）的发展版图。
回溯过往，行波管（TWT）放大器曾长期称霸高功率电子设备领域，尤其是作为输出功率放大器级，其性能表现可圈可点。它具备 kW 级别的强大功率输出能力，能够在一个甚至多个八度音程的带宽区间内稳定工作，在回退工况下也能维持较高效率，并且对温度变化有着良好的适应性。然而，TWT 的短板也不容忽视，长期使用的可靠性欠佳，效率难以进一步提升，并且需要高达～1kV 甚至更高的工作电压，这在实际应用中带来诸多不便。鉴于半导体集成电路在长期可靠性方面的天然优势，从 GaAs 技术起步，科研人员和工程师们多年来持续探索，致力于推动电子产品的升级革新。
在实际工程应用场景中，许多系统工程师为了获取更大的输出功率，尝试将多个 GaAs 集成电路组合运用。市面上甚至催生了专门从事技术整合与高效应用的企业。但这类组合技术普遍面临一个棘手问题，即组合过程中不可避免地会出现信号损失，导致整体性能大打折扣。这一困境促使人们重新审视高功率电子设备的设计思路，寻求从根源上解决问题的方法。而提升功率放大器射频功率的最直接途径便是提高电压，这也正是 GaN 晶体管技术备受瞩目的核心原因。
不同的半导体工艺技术在功率输出特性上各有优劣。硅锗（SiGe）技术凭借其出色的集成优势，在特定领域占据一席之地，但其工作电压相对较低，仅在 2V 至 3V 之间。GaAs 技术在微波频率功率放大器领域深耕多年，工作电压范围为 5V 至 7V，应用颇为广泛。硅 LDMOS 技术在电信领域应用多年，工作电压为 28V，不过受限于频段，主要用于 4GHz 以下，在宽带应用场景中难以大展拳脚。直到 GaN 技术横空出世，它基于碳化硅（SiC）等低损耗、高导热衬底，工作电压可达 28V 至 50V，为整个行业带来了全新的发展契机。然而，目前硅基氮化镓技术在应用频率上存在一定局限，主要在 6GHz 以下运行。这是因为硅衬底存在射频损耗，且相较于 SiC，其热导率较低，随着频率升高，会对增益、效率和功率产生负面影响。
随着半导体制造工艺的精进，更短栅极长度的 GaAs 和 GaN 晶体管相继问世，结合不断优化的电路设计技术，一批能够在毫米波频率下稳定、高效运行的新型设备应运而生。在电路设计环节，为了充分挖掘宽带功率放大器的功率、带宽和效率潜力，工程师们需要综合考量诸多复杂因素。常见的单片放大器设计多采用多级、共源、基于晶体管的级联放大器结构。在这种设计架构下，每一级的增益相互叠加，可实现高增益效果，同时通过增大输出晶体管尺寸，能够有效提升 RF 功率。GaN 技术在此类设计中展现出独特优势，它能够极大地简化输出组合器，减少信号传输过程中的损耗，显著提高效率，同时实现芯片尺寸的缩小。从 GaAs 转向 GaN 器件还有一个潜在优势，为达到特定的 RF 功率水平（例如 4W），采用 GaN 器件所需的晶体管尺寸更小，这意味着每级能够获得更高的增益，进而减少设计的级数，最终提升整体效率。不过，即便借助 GaN 技术的助力，级联放大器技术在实现超过一个倍频程的带宽时，仍面临功率和效率显著下降的难题。
为攻克宽带宽设计难题，工程师们探索出多种创新的拓扑结构。其中一种方案是在 RF 输入和输出端采用兰格耦合器构建平衡设计。在这种设计模式下，回波损耗主要由耦合器的设计决定，这使得优化增益和功率的频率响应相对容易，工程师无需在回波损耗的优化上耗费过多精力。尽管利用兰格耦合器实现一个倍频程带宽存在一定挑战，但它能为设计带来极为出色的回波损耗性能。另一种备受关注的拓扑结构是分布式功率放大器。其独特之处在于将晶体管的寄生效应巧妙地融入设备间的匹配网络中。通过将器件的输入和输出电容分别与栅极和漏极线电感相结合，使传输线对信号的影响近乎透明，有效降低了传输线损耗。理论上，这种设计使得放大器的增益仅受器件跨导限制，而不会受到器件电容寄生效应的干扰。但要实现这一理想状态，需要确保沿栅极线传输的信号与沿漏极线传输的信号同相，这样每个晶体管的输出电压才能与前级晶体管输出同相，传输至输出端的信号才能产生相长干涉，实现信号沿漏极线的增强。同时，需设置栅极线终端吸收未耦合到晶体管栅极的信号，设置漏极线路终端吸收可能对输出信号产生破坏性干扰的反向行波，以改善低频回波损耗。这种拓扑结构能够实现从 kHz 到数 GHz 的超宽频带，在需要超过一个倍频程带宽的应用场景中广受欢迎，具有增益平坦、回波损耗良好、功率高等显著优点。不过，分布式放大器也存在一个关键局限，其功率输出能力受限于施加到设备上的电压。由于缺乏窄带调谐能力，实际为晶体管提供的是 50Ω 阻抗，因此可实现的输出功率由施加到放大器的电压决定。在这方面，GaN 技术展现出无可比拟的优势，从使用 GaAs 的 5V 电源电压切换到使用 GaN 的 28V 电源电压，可实现的功率能从 0.25W 大幅跃升至接近 8W。当然，在应用 GaN 技术时，还需充分考虑其工艺中栅极长度对频带高频端增益的潜在影响。
如今，半导体技术在宽带功率放大器领域已取得了令人瞩目的阶段性成果。这些成果充分展示了 GaAs 和 GaN 技术在实现高功率、高效率和宽频带方面的巨大潜力。随着技术的持续进步，未来有望在更多领域实现突破，为电子设备性能的提升注入源源不断的动力。可以预见，在更高频率和更宽带宽的发展道路上，半导体技术将持续创新，为整个电子行业带来更多的惊喜与变革。