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GaN功率放大器可在27–31和32–38GHz提供100W输出功率
材料来源:《微波杂志》2021年3/4月号            录入时间:2021/3/19 15:23:22

GaN PAs Deliver 100 W, 27–31 and 32–38 GHz

Qorvo, Inc.,www.qorvo.com/products/amplifiers/spatium

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Qorvo新推出的增强型毫米波Spatium®放大器可在紧凑型封装中提供出色的组合效率和带宽,适用于卫星地面站、5G基础设施、雷达和电子战等高性能应用。凭借其最新的GaN MMIC技术,Qorvo开发出了两款毫米波Spatium产品,且两款产品都实现了批量生产:

QPB2731,可在27-31GHz提供100W输出功率。

QPB3238,可在32-38GHz提供100W输出功率。

这两款固态功率放大器(SSPA)可处理连续波(CW)、脉冲和调制射频波形,且具有两个偏置选项,以满足应用需求。

与先前的Spatium技术一样,毫米波Spatium采用了层压板天线结构,这样就可以在准横向电磁(TEM)同轴环境中组合16个单元。理论上,这使得SSPA的功率比每个MMIC的功率高出12dB。

在构建放大器之前,Qorvo设计了一个无源结构,用于评估组合网络的性能,以在不使用MMIC的情况下,复制放大器射频路径。在输入端,射频信号通过2.92mm母头连接器进入,然后在一个超大的同轴区域内以物理方式扩展为层压板、端射天线阵列,该阵列将射频信号分成16等分信号,每个信号都有一条连接到MMIC输入端的微带传输线(图1)。然而,在无源结构中,微带传输线连接至另一个在输入端实现逆转的层压板天线阵列。在大多数情况下,高功率放大器(HPA)的输出需要具有适当功率处理能力的输出连接,如WR28波导。这种无源测试结构的输出端使用了一个2.92mm母头连接器,用于与标准网络分析仪实现宽带连接。

每个层压件都被焊接到镀银铜制叶片上,当沿着主轴观察时,形成一个1/16楔形。核心层压材料选用AGC Taconic TLY-5Z,因为该材料具有较低的介电常数(εr=2.2)和相对较低的介电损耗角正切(10GHz下为tanδ=0.0015),有助于实现天线结构的宽带、低损耗性能。尽管无源层压件上的金属喷镀层覆盖了一层符合IPC要求的浸镀银以防止铜氧化,但放大器通常使用黄金喷镀,以兼容MMIC上的金线焊件。

该无源结构采用ANSYS HFSS进行设计和分析。无源结构插入损耗和回波损耗的仿真值与测量值比较如图2所示。虽然测量值(红线)与仿真值(蓝线)之间存在很小的偏差,但总的说来两者之间的相关性比较高,且所观察到的性能可用于放大器开发。插入损耗测量值反应了整个射频路径的损耗,即输入和输出损耗。在SSPA中,MMIC朝输出方向布置,这样50%以上的微带传输线在MMIC之前。因此,输出插入损耗的合理估计值为0.67dB,可实现86%的组合效率。

在QPB2731设计中,Qorvo的QPA2211 GaN MMIC被选作HPA。QPA2211专为提供14W饱和输出功率和5W线性CW输出功率,在CW运行条件下可实现34%功率附加效率(PAE)(图3)。在QPB3238N设计中,TGA2222 GaN MMIC被选作RF HPA;其指定的CW饱和输出功率为40.2dBm,32-38GHz的PAE为22.3%,裸片背面温度为25℃(图3)。这两个器件均采用了Qorvo的0.15μm SiC衬底GaN生产工艺(QGaN15)。

图4显示的是25℃“钳位(clamp)”温度条件下,QPB2731和QPB3238 SSPA的输出功率和漏极效率测量值。请注意,裸片和SSPA数据之间的热参考点差异。采用CW信号在饱和功率条件下运行时,自热可能会提高裸片背面温度,使其高于SSPA钳位温度50℃以上。因此,图3和图4显示的并不是“一对一”比较;尽管如此,从图中可以看出,在组合各个MMIC的功率后,毫米波Spatium平台表现良好。

为便于系统集成,Qorvo为毫米波Spatium产品提供了两个偏置选项。第一种选项采用单独的偏置卡,可通过SSPA进行远程操作,包含可根据操作环境完全定制放大器的微控制器(图5a)。第二种选项集成度更高,从而可实现更紧凑的外形(图5b)。这两种解决方案都可提供GaN MMIC所需的时序控制和栅极电压控制,所以用户只需在电源连接器处施加基本电压即可为SSPA供电。


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