氮化镓技能的不断进步促进设备在更高的功率、电源电压和频率下作业。
图1、QPD1013 晶体管的相片
如图1所示，Qorvo的QPD1013晶体管选用0.50 μm GaN-on-SiC技能。它选用具有本钱效益的6.6×7.2 mm DFN（双方扁平无引脚）封装，与传统的金属陶瓷封装比较，能够完成更简略的PCB拼装。
尽管Qorvo的GaN晶体管功率十分高，但考虑到高RF功率电平意味着即使是高效的PA，晶体管也将具有明显功耗。因为晶体管是SMT组件，因而需求细心规划PCB以优化热功能。现已对两种办法进行了评价，并报告了两者的成果。
榜首种办法在晶体管的接地焊盘下运用覆铜孔阵列，第二种办法运用铜币技能。铜币是在制作期间嵌入到PCB中的一块实心铜（一般称为金属块），以答应从晶体管到安装了PCB的载体的有用热传递。许多PCB制作商都具有覆铜孔技能经历，但射频频率下的铜币技能还未老练。
晶体管丈量
该规划运用以20mil厚度的Rogers RO4350拼装的样品晶体管的大信号和小信号丈量值。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 显现了三个不同晶体管随频率改变的最大可用增益（MAG），这清楚地标明十分好的单元间一致性。尽管QPD1013表现出的增益超越6GHz，但出于实用性考虑，它最适合在最高约3.5GHz下作业。
最大增益（3 台设备）最大增益（dB） 频率（GHz）
负载牵引丈量值显现，当以10%的占空比和100 μs脉冲宽度作业时，晶体管可供给超越52dBm 160 W） 的RF输出功率，功率约为70%。此负载牵引数据被用作PA大信号规划的根底。
功率放大器规划
PA规划的起点是使晶体管在整个作业频段内无条件坚持安稳。有必要首要保证带内的安稳性，这经过在RF输入端归入RC安稳网络来完成。串联电阻耗费的功率关于传统SMT组件来说过高，所以运用了来自IMS的高功率氮化铝电阻。放大器需求在-40°C以下的一切频率中无条件坚持安稳，以使放大器在较广的温度范围内作业。经过在偏置馈电点增加恰当的RC去耦（可在规划过程中稍后增加），能够大大提高低频段安稳性。
由Qorvo供给的初始负载牵引数据用于确认1.2GHz至1.8GHz之间输出功率和漏极功率的最佳负载阻抗。QPD1013在某些负载条件下可供给高达200W的功率，但还需求细心考虑作业功率，以保证晶体管的作业温度能够接受。挑选导致最高漏极功率的负载阻抗作为由输出匹配网络出现的方针阻抗。相应的RF输出功率电平依然很高，并且更高的功率保证了可接受的热功能。
输出匹配网络运用带通拓扑来满意方针负载阻抗。高作业电压和高RF功率电平对大意的规划师构成潜在圈套。坚持RF轨迹满意宽以防止因为十分高的RF功率电平引起的温度过高和潜在损坏，这十分重要。有必要细心挑选匹配电容以具有满意的击穿电压，然后接受具有足量Q的直流加RF电压摆幅，以防止过多的功耗和功率下降。
运用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仿多端口S参数块。图3 显现了输出匹配网络电路的混合EM/原理图。
图3、EM 模仿输出匹配
图4、方针（虚线）到模仿（实线）负载阻抗，10 Ω图
模仿负载阻抗针对图4中标准化为10 Ω的史密斯圆图上的方针进行制作。在供给的负载牵引概括（未示出）上掩盖模仿负载曲线，标明将满意方针功率和功率值。
S（3，3） QPD1013_Opt_Zload_v1..S（1，1）
频率（1.200GHz 至1.9000GHz）
输出网络的模仿插入损耗如图5 所示。
图5、输出网络的模仿插入损耗
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的损耗也将到达几瓦特的耗散功率，这明显下降了整体PA功率。
图6、EM模仿输入匹配
输入匹配网络选用低通架构。IMS氮化铝电阻用于栅极安稳性网络。这些能够耗费几瓦的功率，这使得PA能够接受在P-3dB紧缩下操作PA所需的10至20W的高输入驱动电平。图6显现了输入匹配网络，其模仿办法与输出匹配网络相同。
能够看出，输入和输出匹配网络的布局都包含感应回路和焊盘，以便在制作后调整PA功能。最终，这些都是不需求的，而仅有的制作后修正是对电容值的小改动。
PA的模仿小信号功能如图7所示。阐明晰宽带宽和平整增益与频率响应。
图7、模仿的小信号功能
热考量
氮化镓比LDMOS或GaAs具有更高的功率密度。这样的成果是耗散功率需求从封装中有用去除，以便坚持满意低的结温，并保证较长的晶体管寿数。
封装的首要传热机制是经过芯片贴装板进入PCB。PCB的精心规划关于保证向环境的杰出热传递至关重要，因而将晶体管温度坚持在恰当的低水平。在作业中评价了两种实践办法，一种办法运用覆铜孔阵列（如图8右侧所示）， 另一种办法运用装配到PCB中的铜币（如图8左边所示）。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）
完成与丈量的功能
图9显现了一个彻底拼装的功率放大器的相片。铝载体前面的孔答应将热电偶直接放置在QPD1013晶体管的正下方。
图9、制作的PA的相片
运用覆铜孔和铜币技能制作PA。在这两种情况下丈量的RF功能十分类似;但与覆铜孔PCB比较，在运用作业温度低于10°C的晶体管时，铜币供给了更高的热功能。除非还有阐明，不然下面给出的成果归于PCB覆铜孔版。
小信号丈量
图10、在25℃下丈量的5个PA的S参数
图10 绘出了25°C（晶体管根底温度）下5个PA的小信号S参数。特别值得留意的是，整个作业频段的增益平整度和模仿与丈量之间的杰出一致性。一切四张图显现了丈量的PCB范围内的一致性。
图11、一个PA随温度改变丈量的S参数
图11绘出了一个PA随温度改变的小信号功能。相关于25°C下的丈量值，丈量的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显现了运用覆铜孔和运用铜币PCB技能的PA小信号功能的比较。能够看出，RF功能十分类似，并且在大信号功能中也调查到了这点。
大信号丈量
丈量了多个PA随温度改变的功率传递特色。单元间的功能十分类似，选用覆铜孔PCB 取得的功能与运用铜币技能的PA取得的功能类似。
图13、在P-3dB下，丈量的不同温度的RF输出
图13绘出了一个PA在三个不同温度下的典型功能，从中能够看出，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，丈量的不同温度的功率
图14 显现PA输出的典型功率为55%，其间包含输出匹配网络和连接器损耗。尽管PA的功率令人形象深入，但耗散功率仍能够超越100W，突显出需求有用的热解决方案。
图15、双音互调产品
此外，还丈量了PA的双音互调功能。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。关于10W （40 dBm） 的总RF输出功率，输出IP3约为+60 dBm。
表1、丈量的功能总结
定论
本文介绍了运用市售SMT晶体管（Qorvo的QPD1013）的GaN PA的规划与完成。该放大器掩盖1.2至1.8 GHz的频段，并供给约160W的RF输出功率，功率约为60%。放大器与频率的要害功能数据列于表1。
与一切功率晶体管相同，慎重的热规划是牢靠运转的要害。运用两种不同的PCB办法（覆铜孔阵列和嵌入式铜币）制作并评价了PA的不同版别，以保证杰出的热功能。这两种情况下的RF功能十分类似。运用铜币PCB导致通道温度下降10°C。
尽管铜币PCB完成的热阻抗改善很有吸引力，但有必要高度留意以保证PCB的外表坚持平整，并在铜币和DFN的接地焊盘之间构成杰出的触摸。任何气隙或焊缝都可能会减少铜币办法的内涵优势。
