【導讀】本文首次展示了一種基于多頻段發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絡。每個位設置針對特定頻段的最優性能配置所有匹配網絡，從而使 PA 能夠在緊湊型封裝中實現最優系統級性能。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多頻段發射前端設計的多個缺點。最明顯的優勢就是可消除 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，使其與傳統設計方法相比具有明顯的優勢。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諧頻段放大器實現的性能水平。
現代雷達系統配置為多頻段雷達，可在各種環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，由單個資源管理器進行協調 [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。目前大多數功率放大器 (PA) 都不適合多頻段雷達系統，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化。有幾種方法可通過在各個 PA MMIC 之間切換來實現寬帶或多頻段特性。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，以實現高輸出網絡帶寬。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最大限度地提高輸出功率。這些設計原理已在 Qorvo 的新產品 QPA0007** 中得以實現。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則的同時顯著減少物理面積。輸出網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，從而實現更高的電路性能。
QPA0007 采用經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，該電平位移器可調整開關 FET 偏置電平。每個網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。輸出網絡損耗是其中一個關鍵的設計參數，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，調諧開關數量都達到最低。通常，為實現低開關損耗，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揮著重要作用。這限制了可切換并聯電容在輸出網絡中的可用性。通常情況下，S 頻段的調諧電感要比 X 頻段大得多。在信號路徑中，使用串聯開關來調諧串聯電感意義不大，因為會產生額外的開關損耗，應在實現接近最佳負載目標值方面做出適當妥協。
級間匹配網絡與輸出網絡的設計環境不同。級間匹配網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，以實現最佳負載目標值。
比較輸出和級間網絡時，輸入網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。輸入網絡和級間網絡對放大器的穩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定性，尤其是極寒條件下。調諧電容和 FET 端子設計能夠在最大輸入驅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會限制 S 頻段性能。即使采用可切換調諧元件，這也極具挑戰性。
性能
QPA0007 經過調諧可覆蓋 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 完全不受靜態偏置電流的影響。因此，可以根據其他性能參數（如小信號增益和切換時間）來設置靜態偏置電流。
所有報告的測量結果都是從生產 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 參數如圖 3 所示。
圖 3：QPA0007 S/X 頻段 S 參數
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 的小信號和驅動穩定性已在 -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定性限值。完成了綜合熱分析，以驗證基于測量數據的熱分析結論。QPA0007 完全符合 MSL 3 和 HBM 250V 額定生產要求。表 1 總結了測得的 EVB 結果。
表 1：QPA0007 測量的數據性能摘要
總結
與傳統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勢。Qorvo 的 QPA0007 采用了專利技術，是業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模封裝。
*《微波產品摘要》
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絡》美國專利 10,164,587，于 2018 年 12 月 25 日發表。
[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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