宽带L频段160W GaN功率放大器的设计关键点

2018-04-13 来源:微波射频网 我要评论(0) 字号:

氮化镓技术的不断进步促使设备在更高的功率、电源电压和频率下工作。

图1、QPD1013 晶体管的照片

如图1所示,Qorvo的QPD1013晶体管采用0.50 μm GaN-on-SiC技术。它采用具有成本效益的6.6x7.2 mm DFN(双边扁平无引脚)封装,与传统的金属陶瓷封装相比,可以实现更简单的PCB组装。

尽管Qorvo的GaN晶体管效率非常高,但考虑到高RF功率电平意味着即使是高效的PA,晶体管也将具有显著功耗。由于晶体管是SMT组件,因此需要仔细设计PCB以优化热性能。已经对两种方法进行了评估,并报告了两者的结果。

第一种方法在晶体管的接地焊盘下使用覆铜孔阵列,第二种方法使用铜币技术。铜币是在制造期间嵌入到PCB中的一块实心铜(通常称为金属块),以允许从晶体管到安装了PCB的载体的有效热传递。许多PCB制造商都具有覆铜孔技术经验,但射频频率下的铜币技术还未成熟。

晶体管测量

该设计使用以20mil厚度的Rogers RO4350组装的样品晶体管的大信号和小信号测量值。晶体管静态偏置为65V,240mA。

图2、晶体管MAG与频率3个晶体管

图2 显示了三个不同晶体管随频率变化的最大可用增益(MAG),这清楚地表明非常好的单元间一致性。虽然QPD1013表现出的增益超过6GHz,但出于实用性考虑,它最适合在最高约3.5GHz下工作。

最大增益(3 台设备)最大增益(dB) 频率(GHz)

负载牵引测量值显示,当以10%的占空比和100 μs脉冲宽度工作时,晶体管可提供超过52dBm 160 W) 的RF输出功率,效率约为70%。此负载牵引数据被用作PA大信号设计的基础。

功率放大器设计

PA设计的起点是使晶体管在整个工作频段内无条件保持稳定。必须首先确保带内的稳定性,这通过在RF输入端纳入RC稳定网络来实现。串联电阻消耗的功率对于传统SMT组件来说过高,所以使用了来自IMS的高功率氮化铝电阻。放大器需要在-40°C以下的所有频率中无条件保持稳定,以使放大器在较广的温度范围内工作。通过在偏置馈电点添加适当的RC去耦(可在设计过程中稍后添加),可以大大提高低频段稳定性。

由Qorvo提供的初始负载牵引数据用于确定1.2GHz至1.8GHz之间输出功率和漏极效率的最佳负载阻抗。QPD1013在某些负载条件下可提供高达200W的功率,但还需要仔细考虑工作效率,以确保晶体管的工作温度可以接受。选择导致最高漏极效率的负载阻抗作为由输出匹配网络呈现的目标阻抗。相应的RF输出功率电平仍然很高,并且更高的效率确保了可接受的热性能。

输出匹配网络利用带通拓扑来满足目标负载阻抗。高工作电压和高RF功率电平对粗心的设计师构成潜在陷阱。保持RF轨道足够宽以避免由于非常高的RF功率电平引起的温度过高和潜在破坏,这非常重要。必须仔细选择匹配电容以具有足够的击穿电压,从而承受具有足量Q的直流加RF电压摆幅,以避免过多的功耗和效率降低。

使用Keysight Momentum对输出匹配网络的金属件进行平面EM仿真,并结合O805 SMT组件的嵌入式高频模型模拟多端口S参数块。图3 显示了输出匹配网络电路的混合EM/原理图。

图3、EM 模拟输出匹配

图4、目标(虚线)到模拟(实线)负载阻抗,10 Ω图

模拟负载阻抗针对图4中标准化为10 Ω的史密斯圆图上的目标进行绘制。在提供的负载牵引轮廓(未示出)上覆盖模拟负载曲线,表明将满足目标功率和效率值。

S(3,3) QPD1013_Opt_Zload_v1..S(1,1)
频率(1.200GHz 至1.9000GHz)
输出网络的模拟插入损耗如图5 所示。

图5、输出网络的模拟插入损耗

输出匹配网络损耗来自PCB介质中的传输线损耗和SMT组件损耗。在这些输出功率电平下,即使是零点几dB的损耗也将达到几瓦特的耗散功率,这显著降低了总体PA效率。

图6、EM模拟输入匹配

输入匹配网络采用低通架构。IMS氮化铝电阻用于栅极稳定性网络。这些可以消耗几瓦的功率,这使得PA能够承受在P-3dB压缩下操作PA所需的10至20W的高输入驱动电平。图6显示了输入匹配网络,其模拟方式与输出匹配网络相同。

可以看出,输入和输出匹配网络的布局都包括感应回路和焊盘,以便在制造后调整PA性能。最后,这些都是不需要的,而唯一的制造后修改是对电容值的小改动。

PA的模拟小信号性能如图7所示。说明了宽带宽和平坦增益与频率响应。

图7、模拟的小信号性能

热考量

氮化镓比LDMOS或GaAs具有更高的功率密度。这样的结果是耗散功率需要从封装中有效去除,以便保持足够低的结温,并确保较长的晶体管寿命。

封装的主要传热机制是通过芯片贴装板进入PCB。PCB的精心设计对于确保向环境的良好热传递至关重要,因此将晶体管温度保持在适当的低水平。在工作中评估了两种实际方法,一种方法使用覆铜孔阵列(如图8右侧所示), 另一种方法使用装配到PCB中的铜币(如图8左侧所示)。在这两种情况下,PCB都安装在了铝载体上。

图8、铜币(左)和覆铜孔(右)

实现与测量的性能

图9显示了一个完全组装的功率放大器的照片。铝载体前面的孔允许将热电偶直接放置在QPD1013晶体管的正下方。

图9、制造的PA的照片

使用覆铜孔和铜币技术制造PA。在这两种情况下测量的RF性能非常相似;但与覆铜孔PCB相比,在使用工作温度低于10°C的晶体管时,铜币提供了更高的热性能。除非另有说明,否则下面给出的结果属于PCB覆铜孔版。

小信号测量

图10、在25℃下测量的5个PA的S参数

图10 绘出了25°C(晶体管基础温度)下5个PA的小信号S参数。特别值得注意的是,整个工作频段的增益平坦度和模拟与测量之间的良好一致性。所有四张图显示了测量的PCB范围内的一致性。

图11、一个PA随温度变化测量的S参数

图11绘出了一个PA随温度变化的小信号性能。相对于25°C下的测量值,测量的S21在-40°C时约为1 dB,在85°C时约为0.5dB。

图12、覆铜孔PCB与铜币PCB的S参数比较

图12显示了使用覆铜孔和使用铜币PCB技术的PA小信号性能的比较。可以看出,RF性能非常相似,而且在大信号性能中也观察到了这点。

大信号测量

测量了多个PA随温度变化的功率传递特点。单元间的性能非常相似,采用覆铜孔PCB 获得的性能与使用铜币技术的PA获得的性能相似。

图13、在P-3dB下,测量的不同温度的RF输出

图13绘出了一个PA在三个不同温度下的典型性能,从中可以看出,频段高端的最小输出为100 W,频段低端的最小输出为160W。

图14、在P-3dB下,测量的不同温度的效率

图14 显示PA输出的典型效率为55%,其中包括输出匹配网络和连接器损耗。虽然PA的效率令人印象深刻,但耗散功率仍可以超过100W,突显出需要有效的热解决方案。

图15、双音互调产品

此外,还测量了PA的双音互调性能。图15 绘出了典型放大器与输出功率的三阶和五阶产品的电平。对于10W (40 dBm) 的总RF输出功率,输出IP3约为+60 dBm。

表1、测量的性能总结

结论

本文介绍了使用市售SMT晶体管(Qorvo的QPD1013)的GaN PA的设计与实现。该放大器覆盖1.2至1.8 GHz的频段,并提供约160W的RF输出功率,效率约为60%。放大器与频率的关键性能数据列于表1。

与所有功率晶体管一样,谨慎的热设计是可靠运行的关键。使用两种不同的PCB方法(覆铜孔阵列和嵌入式铜币)制造并评估了PA的不同版本,以确保良好的热性能。这两种情况下的RF性能非常相似。使用铜币PCB导致通道温度降低10°C。

虽然铜币PCB实现的热阻抗改进很有吸引力,但必须高度注意以确保PCB的表面保持平坦,并在铜币和DFN的接地焊盘之间形成良好的接触。任何气隙或焊缝都可能会削减铜币方法的内在优势。

作者:
R Santhakumar,R Martin
Plextek RFI J M Greene,R M H Smith,L M Devlin
Qorvo公司
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