湖南制造射頻功率放大器技術(shù)

來(lái)源: 發(fā)布時(shí)間:2022-09-02

   1.射頻微波功率放大器及其應(yīng)用放大器是用來(lái)以更大的功率、更大的電流,更大的電壓再現(xiàn)信號(hào)的部件。在信號(hào)處理過(guò)程中不可或缺的放大器,既可以做成用在助聽器里的微晶片,也可以做成像多層建筑那么大以便向水下潛艇或外層空間傳輸無(wú)線電信號(hào)。功率放大器可以被認(rèn)為是將直流(DC)輸入轉(zhuǎn)換成射頻和微波能量的電路。不是在電磁兼容領(lǐng)域需要在射頻和微波頻率上產(chǎn)生足夠的功率,在無(wú)線通信、雷達(dá)和雷達(dá)干擾,醫(yī)療功率發(fā)射機(jī)和高能成像系統(tǒng)等領(lǐng)域都需要,每種應(yīng)用領(lǐng)域都有它對(duì)頻率、帶寬、負(fù)載、功率、效率和成本的獨(dú)特要求。射頻和微波功率可以利用不同的技術(shù)和不同的器件來(lái)產(chǎn)生。本文著重介紹在EMC應(yīng)用中普遍使用的固態(tài)射頻功率放大器技術(shù),這種固態(tài)放大器的頻率可以達(dá)到6GHz甚至更高,采用了A類,AB類、B類或C類放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2.射頻微波功率晶體管概述隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步,可用于RF功率放大器的器件和種類越來(lái)越多。各種封裝器件被普遍采用,圖1顯示了一個(gè)典型的蓋子被移除的晶體管。這是一個(gè)大功率為60W的采用了GaAsFET的平衡微波晶體管,適合推挽式的AB類放大器使用。對(duì)整個(gè)放大器進(jìn)行特性分析如果特性不滿足預(yù)定要求,具 體電路則用多級(jí)阻抗變換,短截線等微帶線電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。湖南制造射頻功率放大器技術(shù)

5G時(shí)代,智能手機(jī)將采用2發(fā)射4接收方案,未來(lái)有望演進(jìn)為8接收方案。功率放大器(PA)是一部手機(jī)關(guān)鍵的器件之一,它直接決定了手機(jī)無(wú)線通信的距離、信號(hào)質(zhì)量,甚至待機(jī)時(shí)間,是整個(gè)射頻系統(tǒng)中除基帶外重要的部分。5G將帶動(dòng)智能移動(dòng)終端、基站端及IOT設(shè)備射頻PA穩(wěn)健增長(zhǎng)。功率放大器市場(chǎng)增長(zhǎng)相對(duì)穩(wěn)健,復(fù)合年增長(zhǎng)率為7%,將從2017年的50億美元增長(zhǎng)到2023年的70億美元。LTE功率放大器市場(chǎng)的增長(zhǎng),尤其是高頻和超高頻,將彌補(bǔ)2G/3G市場(chǎng)的萎縮。15G智能移動(dòng)終端,射頻PA的大機(jī)遇5G推動(dòng)手機(jī)射頻PA量?jī)r(jià)齊升無(wú)論是在基站端還是設(shè)備終端,5G給供應(yīng)商帶來(lái)的挑戰(zhàn)都首先體現(xiàn)在射頻方面,因?yàn)檫@是設(shè)備“上”網(wǎng)的關(guān)鍵出入口,即將到來(lái)的5G手機(jī)將會(huì)面臨更多頻段的支持、不同的調(diào)制方向、信號(hào)路由的選擇、開關(guān)速度的變化等多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)外,也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)市場(chǎng)機(jī)遇。5G將給天線數(shù)量、射頻前端模塊價(jià)值量帶來(lái)翻倍增長(zhǎng)。以5G手機(jī)為例,單部手機(jī)的射頻半導(dǎo)體用量達(dá)到25美金,相比4G手機(jī)近乎翻倍增長(zhǎng)。其中濾波器從40個(gè)增加至70個(gè),頻帶從15個(gè)增加至30個(gè),接收機(jī)發(fā)射機(jī)濾波器從30個(gè)增加至75個(gè),射頻開關(guān)從10個(gè)增加至30個(gè),載波聚合從5個(gè)增加至200個(gè)。5G手機(jī)功率放大器。遼寧EMC射頻功率放大器供應(yīng)商隨著無(wú)線通信/雷達(dá)通信系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)固態(tài)功率放大器提出了新 的要求:大功率輸出、高效率、高線性度、高頻率.

將從2019年開始為GaN器件帶來(lái)巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。相比現(xiàn)有的硅LDMOS(橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù))和GaAs(砷化鎵)解決方案,GaN器件能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能。而且,GaN的寬帶性能也是實(shí)現(xiàn)多頻帶載波聚合等重要新技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。GaNHEMT(高電子遷移率場(chǎng)效晶體管)已經(jīng)成為未來(lái)宏基站功率放大器的候選技術(shù)。由于LDMOS無(wú)法再支持更高的頻率,GaAs也不再是高功率應(yīng)用的優(yōu)方案,預(yù)計(jì)未來(lái)大部分6GHz以下宏網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)用都將采用GaN器件。5G網(wǎng)絡(luò)采用的頻段更高,穿透力與覆蓋范圍將比4G更差,因此小基站(smallcell)將在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中扮演很重要的角色。不過(guò),由于小基站不需要如此高的功率,GaAs等現(xiàn)有技術(shù)仍有其優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí),由于更高的頻率降低了每個(gè)基站的覆蓋率,因此需要應(yīng)用更多的晶體管,預(yù)計(jì)市場(chǎng)出貨量增長(zhǎng)速度將加快。預(yù)計(jì)到2025年GaN將主導(dǎo)RF功率器件市場(chǎng),搶占基于硅LDMOS技術(shù)的基站PA市場(chǎng)。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù),2014年基站RF功率器件市場(chǎng)規(guī)模為11億美元,其中GaN占比11%,而橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)(LDMOS)占比88%。2017年,GaN市場(chǎng)份額預(yù)估增長(zhǎng)到了25%,并且預(yù)計(jì)將繼續(xù)保持增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2025年GaN將主導(dǎo)RF功率器件市場(chǎng)。

目前微波射頻領(lǐng)域雖然備受關(guān)注,但是由于技術(shù)水平較高,壁壘過(guò)大,因此這個(gè)領(lǐng)域的公司相比較電力電子領(lǐng)域和光電子領(lǐng)域并不算很多,但多數(shù)都具有較強(qiáng)的科研實(shí)力和市場(chǎng)運(yùn)作能力。GaN微波射頻器件的商業(yè)化供應(yīng)發(fā)展迅速。據(jù)材料深一度對(duì)Mouser數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析顯示,截至2018年4月,共有4家廠商推出了150個(gè)品類的GaNHEMT,占整個(gè)射頻晶體管供應(yīng)品類的,較1月增長(zhǎng)了。Qorvo產(chǎn)品工作頻率范圍大,Skyworks產(chǎn)品工作頻率較小。Qorvo、CREE、MACOM73%的產(chǎn)品輸出功率集中在10W~100W之間,大功率達(dá)到1500W(工作頻率在,由Qorvo生產(chǎn)),采用的技術(shù)主要是GaN/SiCGaN路線。此外,部分企業(yè)提供GaN射頻模組產(chǎn)品,目前有4家企業(yè)對(duì)外提供GaN射頻放大器的銷售,其中Qorvo產(chǎn)品工作頻率范圍工作頻率可達(dá)到31GHz。Skyworks產(chǎn)品工作頻率較小,主要集中在。Qorvo射頻放大器的產(chǎn)品類別多。在我國(guó)工信部公布的2個(gè)5G工作頻段(、)內(nèi),Qorvo公司推出的射頻放大器的產(chǎn)品類別多,高功率分別高達(dá)100W和80W(1月份Qorvo在高功率為60W),ADI在高功率提高到50W(之前產(chǎn)品的高功率不到40W),其他產(chǎn)品的功率大部分在50W以下。在通信和雷達(dá)系統(tǒng)率放大器是極其重要的組成部分主要參數(shù)有最大輸出功率、效率、線性度和增益等。

   70年代末研制出了具有垂直溝道的絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管,即VMOS管,其全稱為V型槽MOS場(chǎng)效應(yīng)管,它是繼MOSFET之后新發(fā)展起來(lái)的高效功率器件,具有耐壓高,工作電流大,輸出功率高等優(yōu)良特性。垂直MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(VMOSFET)的溝道長(zhǎng)度是由外延層的厚度來(lái)控制的,因此適合于MOS器件的短溝道化,從而提高器件的高頻性能和工作速度。VMOS管可工作在VHF和UHF頻段,也就是30MHz到3GHz。封裝好的VMOS器件能夠在UHF頻段提供高達(dá)1kW的功率,在VHF頻段提供幾百瓦的功率,可由12V,28V或50V電源供電,有些VMOS器件可以100V以上的供電電壓工作。橫向擴(kuò)散MOS(LDMOS)橫向雙擴(kuò)散MOS晶體管(LateralDouble-diffusedMOSFET,LDMOS):這是為了減短溝道長(zhǎng)度的一種橫向?qū)щ奙OSFET,通過(guò)兩次擴(kuò)散而制作的器件稱為L(zhǎng)DMOS,在高壓功率集成電路中常采用高壓LDMOS滿足耐高壓、實(shí)現(xiàn)功率控制等方面的要求,常用于射頻功率電路。與晶體管相比,LDMOS在關(guān)鍵的器件特性方面,如增益、線性度、散熱性能等方面優(yōu)勢(shì)很明顯,由于更容易與CMOS工藝兼容而被采用。LDMOS能經(jīng)受住高于雙極型晶體管的駐波比,能在較高的反射功率下運(yùn)行而不被破壞;它較能承受輸入信號(hào)的過(guò)激勵(lì),具有較高的瞬時(shí)峰值功率。輸出匹配電路確定后功率放大器的輸出功率及效率也基本確定了但它 的增益平坦度并不一定滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。湖南制造射頻功率放大器技術(shù)

微波固態(tài)功率放大器的電路設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能合理簡(jiǎn)化。湖南制造射頻功率放大器技術(shù)

  因?yàn)檫@些特性,GaAs器件被應(yīng)用在無(wú)線通信、衛(wèi)星通訊、微波通信、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域,能夠在更高的頻率下工作,高達(dá)Ku波段。與LDMOS相比,擊穿電壓較低。通常由12V電源供電,由于電源電壓較低,使得器件阻抗較低,因此使得寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)變得比較困難。GaAsMESFET是電磁兼容微波功率放大器設(shè)計(jì)的常用選擇,在80MHz到6GHz的頻率范圍內(nèi)的放大器中被采用。GaAs贗晶高電子遷移率晶體管(GaAspHEMT)GaAspHEMT是對(duì)高電子遷移率晶體管(HEMT)的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu),也稱為贗調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PMODFET),具有更高的電子面密度(約高2倍);同時(shí),這里的電子遷移率也較高(比GaAs中的高9%),因此PHEMT的性能更加優(yōu)越。PHEMT具有雙異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu),這不提高了器件閾值電壓的溫度穩(wěn)定性,而且也改善了器件的輸出伏安特性,使得器件具有更大的輸出電阻、更高的跨導(dǎo)、更大的電流處理能力以及更高的工作頻率、更低的噪聲等。采用這種材料可以實(shí)現(xiàn)頻率達(dá)40GHz,功率達(dá)幾W的功率放大器。在EMC領(lǐng)域,采用此種材料可以實(shí)現(xiàn),功率達(dá)200W的功率放大器。氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaNHEMT)氮化鎵(GaN)HEMT是新一代的射頻功率晶體管技術(shù),與GaAs和Si基半導(dǎo)體技術(shù)相比。湖南制造射頻功率放大器技術(shù)

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