氮化鎵技術(shù)的不斷進(jìn)步促使設備在更高的功率、電源電壓和頻率下工作。

?圖1 QPD1013 晶體管的照片

如圖1所示， QPD1013晶體管采用0.50 μm GaN-on-SiC技術(shù)。它采用具有成本效益的6.6x7.2 mm DFN(雙邊扁平無(wú)引腳)封裝，與傳統的金屬陶瓷封裝相比，可以實(shí)現更簡(jiǎn)單的PCB組裝。

盡管GaN晶體管效率非常高，但考慮到高RF功率電平意味著(zhù)即使是高效的PA，晶體管也將具有顯著(zhù)功耗。由于晶體管是SMT組件，因此需要仔細設計PCB以?xún)?yōu)化熱性能。已經(jīng)對兩種方法進(jìn)行了評估，并報告了兩者的結果。

第一種方法在晶體管的接地焊盤(pán)下使用覆銅孔陣列，第二種方法使用銅幣技術(shù)。銅幣是在制造期間嵌入到PCB中的一塊實(shí)心銅(通常稱(chēng)為金屬塊)，以允許從晶體管到安裝了PCB的載體的有效熱傳遞。許多PCB制造商都具有覆銅孔技術(shù)經(jīng)驗，但射頻頻率下的銅幣技術(shù)還未成熟。

晶體管測量

該設計使用以20mil厚度的Rogers RO4350組裝的樣品晶體管的大信號和小信號測量值。晶體管靜態(tài)偏置為65V，240mA。

?圖2 晶體管MAG與頻率3個(gè)晶體管

圖 2 顯示了三個(gè)不同晶體管隨頻率變化的最大可用增益 (MAG)，這清楚地表明非常好的單元間一致性。雖然QPD1013表現出的增益超過(guò)6GHz，但出于實(shí)用性考慮，它最適合在最高約3.5GHz下工作。

最大增益(3 臺設備)最大增益 (dB) 頻率 (GHz)

負載牽引測量值顯示，當以10%的占空比和100 μs脈沖寬度工作時(shí)，晶體管可提供超過(guò)52dBm 160 W) 的RF輸出功率，效率約為70%。此負載牽引數據被用作PA大信號設計的基礎。

功率放大器設計

PA設計的起點(diǎn)是使晶體管在整個(gè)工作頻段內無(wú)條件保持穩定。必須首先確保帶內的穩定性，這通過(guò)在RF輸入端納入RC穩定網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現。串聯(lián)電阻消耗的功率對于傳統SMT組件來(lái)說(shuō)過(guò)高，所以使用了來(lái)自IMS的高功率氮化鋁電阻。放大器需要在-40°C以下的所有頻率中無(wú)條件保持穩定，以使放大器在較廣的溫度范圍內工作。通過(guò)在偏置饋電點(diǎn)添加適當的RC去耦 (可在設計過(guò)程中稍后添加)，可以大大提高低頻段穩定性。

由Qorvo提供的初始負載牽引數據用于確定1.2GHz至1.8GHz之間輸出功率和漏極效率的最佳負載阻抗。QPD1013在某些負載條件下可提供高達200W的功率，但還需要仔細考慮工作效率，以確保晶體管的工作溫度可以接受。選擇導致最高漏極效率的負載阻抗作為由輸出匹配網(wǎng)絡(luò )呈現的目標阻抗。相應的RF輸出功率電平仍然很高，并且更高的效率確保了可接受的熱性能。

輸出匹配網(wǎng)絡(luò )利用帶通拓撲來(lái)滿(mǎn)足目標負載阻抗。高工作電壓和高RF功率電平對粗心的設計師構成潛在陷阱。保持RF軌道足夠寬以避免由于非常高的RF功率電平引起的溫度過(guò)高和潛在破壞，這非常重要。必須仔細選擇匹配電容以具有足夠的擊穿電壓，從而承受具有足量Q的直流加RF電壓擺幅，以避免過(guò)多的功耗和效率降低。

使用Keysight Momentum對輸出匹配網(wǎng)絡(luò )的金屬件進(jìn)行平面EM仿真，并結合O805 SMT組件的嵌入式高頻模型模擬多端口S參數塊。圖3 顯示了輸出匹配網(wǎng)絡(luò )電路的混合EM/原理圖。

?圖3 EM 模擬輸出匹配

?圖4 目標(虛線(xiàn))到模擬(實(shí)線(xiàn))負載阻抗， 10 Ω圖

模擬負載阻抗針對圖4中標準化為10 Ω的史密斯圓圖上的目標進(jìn)行繪制。在提供的負載牽引輪廓(未示出)上覆蓋模擬負載曲線(xiàn)，表明將滿(mǎn)足目標功率和效率值。

S(3,3) QPD1013_Opt_Zload_v1..S(1,1)

頻率(1.200GHz 至 1.9000GHz)

輸出網(wǎng)絡(luò )的模擬插入損耗如圖 5 所示。

?圖5 輸出網(wǎng)絡(luò )的模擬插入損耗

輸出匹配網(wǎng)絡(luò )損耗來(lái)自PCB介質(zhì)中的傳輸線(xiàn)損耗和SMT組件損耗。在這些輸出功率電平下，即使是零點(diǎn)幾dB的損耗也將達到幾瓦特的耗散功率，這顯著(zhù)降低了總體PA效率。

?圖6 EM模擬輸入匹配

輸入匹配網(wǎng)絡(luò )采用低通架構。IMS氮化鋁電阻用于柵極穩定性網(wǎng)絡(luò )。這些可以消耗幾瓦的功率，這使得PA能夠承受在P-3dB壓縮下操作PA所需的10至20W的高輸入驅動(dòng)電平。圖6顯示了輸入匹配網(wǎng)絡(luò )，其模擬方式與輸出匹配網(wǎng)絡(luò )相同。

可以看出，輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò )的布局都包括感應回路和焊盤(pán)，以便在制造后調整PA性能。最后，這些都是不需要的，而唯一的制造后修改是對電容值的小改動(dòng)。

PA的模擬小信號性能如圖7所示。說(shuō)明了寬帶寬和平坦增益與頻率響應。

?圖 7 模擬的小信號性能

熱考量

氮化鎵比LDMOS或GaAs具有更高的功率密度。這樣的結果是耗散功率需要從封裝中有效去除，以便保持足夠低的結溫，并確保較長(cháng)的晶體管壽命。

封裝的主要傳熱機制是通過(guò)芯片貼裝板進(jìn)入PCB。PCB的精心設計對于確保向環(huán)境的良好熱傳遞至關(guān)重要，因此將晶體管溫度保持在適當的低水平。在工作中評估了兩種實(shí)際方法，一種方法使用覆銅孔陣列(如圖8右側所示)， 另一種方法使用裝配到PCB中的銅幣(如圖8左側所示)。在這兩種情況下，PCB都安裝在了鋁載體上。

?圖8 銅幣(左)和覆銅孔(右)

實(shí)現與測量的性能

圖9顯示了一個(gè)完全組裝的功率放大器的照片。鋁載體前面的孔允許將熱電偶直接放置在QPD1013晶體管的正下方。

?圖9 制造的PA的照片

使用覆銅孔和銅幣技術(shù)制造PA。在這兩種情況下測量的RF性能非常相似;但與覆銅孔PCB相比，在使用工作溫度低于10°C的晶體管時(shí)，銅幣提供了更高的熱性能。除非另有說(shuō)明，否則下面給出的結果屬于PCB覆銅孔版。

小信號測量

?圖10 在25℃下測量的5個(gè)PA的S參數

圖10 繪出了25°C(晶體管基礎溫度)下5個(gè)PA的小信號S參數。特別值得注意的是，整個(gè)工作頻段的增益平坦度和模擬與測量之間的良好一致性。所有四張圖顯示了測量的PCB范圍內的一致性。

?圖11 一個(gè)PA隨溫度變化測量的S參數

圖11繪出了一個(gè)PA隨溫度變化的小信號性能。相對于25°C下的測量值，測量的S21在-40°C時(shí)約為1 dB，在85°C時(shí)約為0.5dB。

?圖12 覆銅孔PCB與銅幣PCB的S參數比較

圖12顯示了使用覆銅孔和使用銅幣PCB技術(shù)的PA小信號性能的比較?？梢钥闯?，RF性能非常相似，而且在大信號性能中也觀(guān)察到了這點(diǎn)。

大信號測量

測量了多個(gè)PA隨溫度變化的功率傳遞特點(diǎn)。單元間的性能非常相似，采用覆銅孔PCB 獲得的性能與使用銅幣技術(shù)的PA獲得的性能相似。

?圖13 在P-3dB下，測量的不同溫度的RF輸出

圖13繪出了一個(gè)PA在三個(gè)不同溫度下的典型性能，從中可以看出，頻段高端的最小輸出為100 W，頻段低端的最小輸出為160W。

?圖14 在P-3dB下，測量的不同溫度的效率

圖14 顯示PA輸出的典型效率為55%，其中包括輸出匹配網(wǎng)絡(luò )和連接器損耗。雖然PA的效率令人印象深刻，但耗散功率仍可以超過(guò)100W，突顯出需要有效的熱解決方案。

?圖15 雙音互調產(chǎn)品

此外，還測量了PA的雙音互調性能。圖15 繪出了典型放大器與輸出功率的三階和五階產(chǎn)品的電平。對于10W (40 dBm) 的總RF輸出功率，輸出IP3約為+60 dBm。

?表1 測量的性能總結

結論

本文介紹了使用市售SMT晶體管(QPD1013)的GaN PA的設計與實(shí)現。該放大器覆蓋1.2至1.8 GHz的頻段，并提供約160W的RF輸出功率，效率約為60%。放大器與頻率的關(guān)鍵性能數據列于表 1。

與所有功率晶體管一樣，謹慎的熱設計是可靠運行的關(guān)鍵。使用兩種不同的PCB方法 (覆銅孔陣列和嵌入式銅幣)制造并評估了PA的不同版本，以確保良好的熱性能。這兩種情況下的RF性能非常相似。使用銅幣PCB導致通道溫度降低10°C。

雖然銅幣PCB實(shí)現的熱阻抗改進(jìn)很有吸引力，但必須高度注意以確保PCB的表面保持平坦，并在銅幣和DFN的接地焊盤(pán)之間形成良好的接觸。任何氣隙或焊縫都可能會(huì )削減銅幣方法的內在優(yōu)勢。

作者：

Qorvo公司 R Santhakumar，R Martin

Plextek RFI J M Greene，R M H Smith，L M Devlin