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氮化镓推挽放大器的优势和应用

Paramita Maity, Ashish Shinde, Sritama Dutta and Manish Shah; TagoreTech, Arlington Heights, Ill.

氮化镓（GaN）因其优于LDMOS的特性，已成为首选的高功率放大器（HPA）技术。氮化镓可实现更宽的带宽和更高的放大器效率，从而可用一个宽带放大器取代多个窄带放大器。这在不牺牲性能的情况下减少了电路板占用空间。虽然宽带放大器在空间和成本方面具有优势，但其宽带宽在满足谐波要求方面也存在挑战。

推挽功率放大器拓扑结构作为陆地移动无线电（LMR）和战术无线电等许多应用的首选结构，正日益受到欢迎。这种拓扑结构将两个或多个功率放大器组合在一起，以实现更高的功率输出，从而提高效率、降低失真并减少功耗。这也简化了热管理。

HPA技术

GaN和LDMOS是功率放大器（PA）设计中最常见的两种半导体工艺技术。随着对减小尺寸、重量、功率和成本（SWaP-C）的需求不断增加，在许多新型功率放大器设计中，氮化镓正迅速取代LDMOS。部分原因是LDMOS晶体管通常建立在硅衬底上，而一些先进的设计可能会使用硅-绝缘体（SOI）衬底。

与硅相比，氮化镓的材料特性具有多项优势。表1着重说明了氮化镓和硅的基本材料特性。表1所列的特性表明，由于击穿电压、饱和速度和电荷密度较高，氮化镓器件的功率密度要高得多。与现有的LDMOS相比，氮化镓器件在输出功率相同的情况下体积大大缩小，从而降低了全部器件电容。较低的输入和输出电容有助于实现宽带匹配网络。此外，更高的工作电压可增加所需输出功率的负载线阻抗，进一步帮助实现宽带输出匹配。这些因素使氮化镓成为功率放大器、射频元件以及其他对性能和可靠性要求极高的电子系统中各种功能的绝佳选择。

宽带pa拓扑和权衡

宽带功率放大器是应用广泛的重要元件，可实现高效通信、提高信号质量并确保从电信到消费电子等各个领域的可靠性。这些功率放大器的性能使其能够处理宽广的频率范围，成为现代通信系统中的通用元件。目前有多种宽带功率放大器拓扑结构可供选择，每种拓扑结构都有其优缺点。一些重要的拓扑结构包括：

有损匹配放大器或多级块状元件匹配：这种拓扑结构采用电阻器、电容器和电感器等块状元件的多级输入和输出匹配网络，以获得更宽的带宽。

反馈放大器：负反馈用于扩展带宽。并联和串联反馈配置均可用于这种情况，但并联反馈通常能产生最佳效果。

分布式放大器：这种拓扑结构利用多个晶体管的"加法放大"概念，可提供超宽带工作，从直流一直延伸到有源器件的截止频率。

推挽放大器：推挽放大器使用两个有源器件来处理输入信号的正负周期。这种设计通过消除偶阶谐波来提高效率和降低失真，因此在音频和射频应用中特别有效。通过在两个器件之间交替传导，推挽放大器可以提供高输出功率，同时保持良好的线性和热性能。互补、降低失真和提高热稳定性有助于推挽放大器整体带宽的改善。

表2比较了不同宽带功率放大器的拓扑结构。在所列的四种结构中，分布式放大器通常能提供最大带宽。这使它们适用于需要非常宽频率范围的应用。推挽放大器和反馈放大器也能提供更宽的带宽，但通常达不到分布式放大器的带宽水平。

考虑到失真、效率和带宽等其他因素，推挽放大器和分布式放大器都有各自的优势。不过，推挽放大器在效率、设计简便性、减少失真、更好的热管理和更低的成本方面更胜一筹。这使它们成为战术无线电和LMR系统等高功率应用的绝佳选择。

与其他技术相比，氮化镓推挽功率放大器具有明显的优势。这种放大器拓扑/技术具有更高的效率、更宽的带宽、更高的功率密度和更好的热性能。总之，这些优势使氮化镓推挽放大器成为电信、航空航天和国防系统等各种应用的理想选择。

推挽放大器的设计方法

推挽放大器使用两个基于晶体管或HEMT的器件来放大输入信号。在这种设置中，一个器件处理波形的正半部分，而另一个器件处理负半部分。图1显示了推挽功率放大器的基本构件。

推挽放大器的关键部件包括：

输入端：输入信号通常是差分信号，来自能产生平衡输出的信号源。巴伦将单端不平衡信号转换成两个相等但相位相反的平衡信号，以驱动两个有源器件。

有源器件：两个有源FET或HEMT采用推挽配置。每个器件处理输入波形的一半。其中一个放大正半波，另一个放大负半波。

巴伦：巴伦位于功率放大器的输入和输出端。在输入端，巴伦将单端信号转换为差分信号。在输出端，它将差分信号转换回单端信号。巴伦还可以为所需带宽提供阻抗变换。它有助于最大限度地减少共模噪声，并确保功率在两个设备之间均匀分布。

输出端：两个晶体管的输出在输出端合并。巴伦确保合并输出相位一致，并将放大后的信号传输到负载。

反馈机制（可选）：反馈可用于提高线性度和减少失真。它可以从输出端反馈到输入端，从而稳定整体增益。

输入信号进入放大器，巴伦将其转换成两个平衡信号。两个有源器件分别放大各自一半的信号。放大后的输出被送入巴伦，巴伦将其合并为一个非平衡输出。输出被输送到负载（如天线），以低失真提供高功率。使用巴伦的推挽功率放大器结构有效地结合了平衡和推挽的优点，从而实现了高效率、低失真和更宽的带宽。

重要的巴伦参数

巴伦的设计/选择是推挽功率放大器设计中最关键的因素之一。在为放大器设计或选择正确的巴伦时，需要考虑几个因素：

工作带宽：巴伦必须满足指定要求的带宽。

插入损耗：直接影响放大器整体效率的关键参数。较高的插入损耗还会限制巴伦的功率处理能力，并可能使热管理面临挑战。

振幅和相位失调：直接影响巴伦的共模抑制比(CMRR)。

阻抗变换比：输入和输出阻抗之间的理想比率。

功率处理能力：巴伦在不超过规定限制的情况下可处理的最高功率。

巴伦在较宽的带宽内通常可以达到20-25dB的CMRR。图2显示了CMRR与相位和振幅不平衡的关系图。该图显示，要达到25dB CMRR，巴伦的振幅不平衡必须小于0.5dB，相位不平衡必须小于5度。这些不平衡值需要在偶阶谐波频率上测量。

放大器的最高功率要求决定了巴伦的最高功率处理要求。由于热管理方面的考虑，用于功率放大器输出的高功率巴伦通常会更大。这是设计巴伦时的一个关键因素。

高功率宽带放大器设计

对于宽带高功率应用，可以使用单个高功率器件来设计单端功率放大器。然而，使用单个高功率器件在带宽、PAE、谐波、热管理和成本方面都面临挑战。为了尽量减少谐波，需要使用低通滤波器(LPF)来抑制功率放大器产生的谐波。LPF元件必须支持适当的功率，这可能会增加其尺寸和所需的PCB空间。这会增加整体损耗和成本。此外，使用单个功率放大器实现更高的PAE和输出功率通常需要牺牲输出回波损耗。使用单个高功率放大器的标准设计通常也会产生较差的二次谐波。

另外，如图3所示，在推挽拓扑结构中使用两个较小的功率放大器，并将它们与90度混合器相结合，可以获得更高的P_out、PAE、更好的谐波性能，以及由于混合器固有特性而产生的出色的输入和输出回波损耗。这种方法提高了整体性能，并解决了与单一高功率器件设计相关的效率问题。这种拓扑结构还简化了热管理工作，因为功率耗散分布在四个有源器件上，而不是单器件上。这种推挽拓扑结构的缺点之一是成本高，因为它需要在输入和输出端增加巴伦和混合合路器。

表3总结了单个功率放大器配置与两个小型推挽功率放大器的比较。表4总结了单个HPA与两个推挽功率放大器及90度混合器的比较。

总体而言，尽管设计复杂性增加，成本可能提高，但采用90度混合的推挽拓扑结构为高功率宽带放大器设计提供了更高效、性能更高的解决方案。

推挽放大器参考设计

为说明推挽功率放大器设计方法的实际应用，本节将介绍15W和65W推挽功率放大器模块的参考设计。

15瓦推挽放大器模块

图4显示了采用TagoreTech TA9310E碳化硅基氮化镓功率晶体管和巴伦的15W推挽放大器设计。该放大器的工作频率为30-512MHz。两个GaN HEMT采用18V漏极电源偏置，总静态电流为80mA。模块的输入端使用额定功率为1W的巴伦，输出端使用Mini-Circuits的额定功率为15W的巴伦。

推挽设计可有效地将二阶谐波降至-35dBc，而不会牺牲输出功率或PAE。在漏极电压低于氮化镓功率放大器最大额定值的情况下运行推挽放大器，就能达到所需的功率和PAE水平。由于减少了二阶谐波，这种设计特别适合战术无线电应用，尤其是30-512MHz频段内的应用。图4所示的GaN功率晶体管安装在TagoreTech开发的评估板上。图5显示了15W功率放大器模块的测量增益和PAE与输出功率的关系。图6显示了15W放大器模块的二阶谐波性能与输出功率的关系。

65瓦推挽放大器模块

图7展示了一个65W推挽放大器设计，该设计使用了TagoreTech的两个TA9410E 40W碳化硅基氮化镓功率晶体管和同轴巴伦。该放大器的工作频率为135-870MHz，由50V漏极电源驱动。为获得最佳性能，输入端使用了额定功率为4-5W的巴伦，输出端使用了额定功率为75W的巴伦。

放大器的推挽拓扑结构可有效地将二阶谐波降低到-30dBc。这确保了输出功率和PAE不受影响。该设计的最大工作电压为50V，可满足仪表盘安装或车载LMR/PMR无线电应用所需的高功率要求。

对二阶谐波的抑制使该放大器特别适合LMR应用，尤其是VHF、UHF1、UHF2和800MHz频段。表5汇总了65W推挽放大器在这些频段的性能。图7中的评估板在LMR频率范围内的平均输出功率为63-70W。图8显示了65W PA模块的测量增益和PAE与输出功率的关系。图9显示了65W放大器模块的二阶谐波性能与输出功率的关系。

结论

本文探讨了推挽放大器拓扑结构在宽带功率放大器设计中的优势，特别是与氮化镓技术相结合时的优势。通过配对两个或多个放大器，推挽放大器可有效解决宽带功率放大器设计中实现高功率输出、宽带宽和低失真等难题。氮化镓技术具有带宽高、效率高、热传导性好和击穿电压高等优越性能，是这些应用的理想选择。

本文将推挽配置与使用单一器件的功率放大器进行了比较。这一比较突出了推挽结构在谐波性能、效率和热分布方面的优势。尽管设计复杂性增加，元件数量也可能增加，但推挽配置在带宽、效率和谐波控制方面具有显著优势。

将推挽拓扑结构与氮化镓技术相结合，可产生高性能宽带放大器，满足对效率、失真、功率处理和热管理的严格要求。这使它们成为对性能、尺寸和成本要求极高的射频应用的理想选择。

表1：氮化镓和硅技术的比较

表2：宽带放大器拓扑结构比较

表3：推挽配置的比较

表4：采用90°混合器的单PA和推挽放大器的比较

表5：65W推挽PA测量数据

图1：推挽功率放大器框图

图2：CMRR与振幅和相位不平衡的关系。

图3：使用混合90°耦合器的推挽功率放大器。

图4：15W推挽功率放大器模块。

图5：15W功率放大器模块的增益和PAE。

图6：15W功率放大器模块的二阶谐波。

图7：65W推挽功率放大器模块。

图8：65W功率放大器模块的增益和PAE。

图9：65W功率放大器模块的二阶谐波。