宽带射频功率放大器的应用及氮化镓GaN材料的主要特点

射频功率放大器在电磁兼容EMC，无线通信，卫星通信，雷达，广播，电视，高能物理研究，先进医疗设备，电子战等领域有着广泛的应用。不同领域的应用对射频功率放大器的要求也是不一样的，就拿带宽来说，有些应用只需要窄带甚至是点频即可，这种功放比较容易做出来；而有些应用则要求宽带，为了满足应用所需的宽带功放，一种方法就是采用若干个窄频段的彼此覆盖连接在一起的窄带功放拼起来，使用的时候需要根据不同频段来切换功放；另一种方法就是专门研制出带宽足够宽的，足够覆盖所需频率范围的宽带功放。

在电磁兼容，无线通信等领域通常需要用到宽带的射频功率放大器，以电磁兼容中的IEC 61000-4-3射频辐射抗扰度EMS测试为例，最常见的民标测试通常要从80MHz测到3GHz或者6GHz，场强通常要达到为10V/m，也有的要求在低频段要达到20V/m甚至是30V/m。频率跨度比较大，需要用到若干台不同功率的功放覆盖整个频率范围并与覆盖不同频段的天线相对应。既要符合频率跨度的要求，又要符合IEC 61000-4-3对P1dB功率的要求，还有对增益平坦度的要求，对线性度的要求，射频功放的功夫除了大指标，更体现在细节上，比如谐波，杂散，三阶交调交截点，噪声系数，抗反射的能力等等，还要考虑到尺寸和重量等，因为更高的功率密度是功放发展的一个趋势，还需要多种保护功能，最终还体现在产品的可靠性上。以上这些都是射频功放的重要指标，想把这些指标做到进一步完善，不是件容易的事儿，需要基础工业的支持，需要多年经验的积累，射频功放的设计是很具有挑战性的。

针对射频功放产品的所谓新技术，首先体现在内部所采用的放大器芯片上，以往的射频功放内部的芯片采用比较多的是砷化镓GaAs材料，具有很好的线性度的特点。随着很多应用对高功率的要求越来越高，采用砷化镓GaAs材料的芯片来实现就需要用到若干级的级联，还要经过多路合成才能实现大的功率输出，成本比较高。随着半导体材料的进步，具有高电子迁移率，宽禁带的氮化镓GaN材料得到了广泛应用，它的主要特点包括：

1.氮化镓器件提供的功率密度可以比砷化镓器件能高达十倍，可以提供更大的带宽、更高的放大器增益，并且由于器件尺寸的减少，还可提高效率。

2.氮化镓场效应管器件的工作电压比同类砷化镓器件能高达五倍，可以更加方便地实施阻抗匹配。

3.氮化镓场效应管器件提供的电流比砷化镓场效应管能高达二倍，因此氮化镓场效应器件的本征带宽能力更高。

4.氮化镓在器件层面的热通量高，易于散热。 

5.氮化镓的化学键强度是砷化镓化学键的三倍。因此，氮化镓的能隙更大，能够支持更高的电场和更高的工作电压。

6.氮化镓器件能在高温下长时间工作，失效率低。

当然，每种半导体材料都有其各自的特点，基于不同的半导体材料的芯片而设计成的射频功率放大器也各有其特点，适合不同的频段和应用场合，LDMOS，GaAs，GaN这几种射频功放上常用的半导体材料也会共存。

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