了解未来与大功率射频相关的多用途市场需求

作者：Alan Hutton，欧洲、中东和非洲（EMEA）/印度销售总监，埃赋隆半导体（Ampleon）

在过去几年里，市场上出现了面向多样化和高利润的多用途市场——包括广播电视和航空航天以及工业、科学和医疗（ISM）应用——的大功率RF产品。业界已经历了一场范式转变，需要在提高功率水平的同时提高效率。从早期利用LDMOS技术可实现几百MHz的频率开始，现在我们已达到了这样一个阶段，那就是这类器件已能处理高达3.5GHz的频率并能以优质的效率提供数kW的功率。

现在与功率放大器（PA）相关的不断提高的效率与功率预期，正在扩展基于LDMOS技术的传统器件的能力。作为回应，这推动了工程进步，并引起业界推出了新一类颠覆性的产品。

多用途市场部署规定要求的大功率射频器件,

多用途市场分布在各种不同的终端应用、功率水平和频段。典型市场及其各自的频率要求概述如下：

• 基于CO₂激光的钻孔设备和切割工具（高达108MHz）
• 等离子发生器（高达2450MHz）
• 工业/消费烹饪和干燥设备（高达2450MHz）
• 电介质加热/除霜设备（高达41MHz）
• MRI和化学分析系统（高达256MHz）
• 粒子加速器（高达1300MHz）
• 海洋无线电系统（高达30MHz）
• HF无线电（高达512MHz）
• FM无线电（高达108MHz）
• VHF电视广播（高达240MHz）
• UHF电视广播（高达860MHz）

LDMOS和GaN格局

随着对增强PA性能和提高功率规格的不断推动，未来的大功率RF器件势必要解决更广泛的技术交付问题。特别是，要想对LDMOS或GaN器件做出最佳选择，这在很大程度上就取决于所针对的特定细分市场（如图1所示）。例如，粒子加速器会要求所采用的RF晶体管具有尽可能高的效率，这样就能节省每年的用电成本。相反，CO₂激光器所使用的RF晶体管，则需要具有极佳的鲁棒性并能保证满足使用寿命要求。这些例子都真的需要使用GaN器件吗？答案是——不一定。

图1：当前的LDMOS和GaN技术格局

面向多用途市场的LDMOS技术一览

许多行业分析师都言之凿凿，未来几年大功率RF市场将由GaN技术所主导，广泛用途的GaN器件也将迅速涌现。相比之下，根据我们今天在多用途市场中看到的情况，很可能只有少数几个终端应用会确实采用GaN（即在同时需要满足宽带要求和高效率的情况下）。鉴于LDMOS器件拥有高效率和高增益的能力，预计未来绝大多数市场份额仍将依赖于这种技术。此外，随着每一代LDMOS技术的推出，耐用性和稳定性也都在不断改进。还有一点值得考虑的就是，LDMOS技术可提供长期可靠性和可摊销的制造成本，从而生产出更具性价比的大功率射频解决方案。必须认识到，GaN技术尚未完全成熟，批量生产仍然很昂贵。要获得上面所述的任何特性，它还有很长的路要走。

以下部分重点介绍最新LDMOS产品要成功应对多用途市场所需要提供的关键特性。

1.击穿电压——提高的RF条件可能会使晶体管发生击穿或停止正常工作，因此获得尽可能高的击穿电压显然有利。还需要考虑的是，当在额定击穿电压或超过额定击穿电压下工作时，可能会引起晶体管寿命缩短的后果。虽然某些工作类别（例如E类）可提高效率，进而提供卓越的性能，但由于其涉及高漏极电压，因此可能会引起RF设计人员的一些担忧。

2.漏极电源电压——支持65V最大漏极电源电压，可以使设计工程师从单个器件获得最高的可靠输出功率，并且与基于多个晶体管组合的系统相比，还具有相当大的架构和成本优势。同时，较高的最大合格电压还使工程师有信心，当使用较低的供电电压来提高技术所提供的安全裕度时，施加到器件的偏置仍处于安全范围。

3.电压范围——提供扩展的电压范围是另一个重要因素。这意味着PA设计人员将拥有更大的灵活性，并且能够更好地在全部元件清单（BoM）方面实现成本节约。

4.易于控制功率——许多大功率射频放大器以不同合格式或“类型”工作，从而实现不同的设计目标。正如所所周知的那样，典型的类型包括A类、AB类、B类、C类、D类和E类。在所有这些类型中，有源器件用来充当受控电流源。输入端的偏置决定了放大器的类型。PA设计中的一个常见折衷是平衡效率与线性度——因此，随着效率的提高，线性度会变差。可以适应所有这些类型的器件系列将具有明显的价值。

5.静电放电（ESD）保护——如果没有提供充分的保护，大功率RF器件在遇到ESD时会导致灾难性故障。因此，需要建立有效的保护机制。

6.鲁棒性——具有耐用结构的晶体管器件，即使在负载严重失配的情况下也能正常运行，而不会出现损坏甚至性能下降的情况。电压驻波比（VSWR）是通常用来描述负载失配程度的品质因数，因此应选择具有高比值的器件。

7.埃赋隆半导体（Ampleon）所提供的ART器件，能够满足所有上述关键标准。因此，这种器件能够将自己与竞争对手所提供的传统LDMOS产品区分开来。这种晶体管具有可工作在所有PA类型的能力。它们涵盖了30V至65V的广泛电压范围，具有65:1的VSWR，并具有集成的双侧ESD保护功能。此外，它们还支持65V的最大漏极电源电压和208V击穿电压。

ART与VDMOS对比

多年来，VDMOS一直是许多多用途市场应用的中流砥柱技术。它坚固耐用，符合许多射频设计工程师的技术规范。然而，VDMOS技术的生命周期现在已接近尾声。目前所面临的挑战是要提供下一代基于LDMOS的射频器件来替代VDMOS。ART技术不仅可以超越VDMOS的耐用性（如图2所示），而且还可以提供更高的功率密度。这减少了所需的最终晶体管数量，并有助于简化PA设计。这对于降低整体BOM费用也至关重要。

图2：LDMOS和VDMOS的性能比较

显而易见，高增益LDMOS的另一个好处是它可以使用非常低功率的驱动器。这不仅有利于总体效率，而且还改善了PA设计的散热预算。事实上，除此之外，ART器件的封装还提供了采用空气腔陶瓷（ACC）的CPC法兰和采用包覆成型塑料（OMP）封装形式的铜焊盘。因此，与大多数VDMOS器件相比，其散热性能可提高3到4倍。

ART多功能性

以下是一些可能使用ART晶体管的示例，这突出了它们固有的多功能性。以下示例之一显示了可将ART器件设计为宽带通用PA，而另一个示例描述了可将ART技术用于面向VHF广播市场的对称宽带Doherty PA。

1.广播示例——DVB-T2是全球最广泛采用的用于地面传输活动的数字电视标准。与以前的模拟传输相比，它可以更有效地使用可用的射频频谱。由于其＞1400W的峰值功率、＞21dB的增益和＞47%的效率，再加上65:1 VSWR，ART2K0非常适合于DVB-T2用例。它有陶瓷和OMP两种封装版本。

图3：使用ART2K0FE的对称超宽带Doherty

2.Doherty PA示例——高线性射频通信PA也是多用途市场中的常见要求。ART1K6非常适合实现Doherty PA的应用。它可以实现边带工作，频率范围从1.6MHz一直到30MHz，并且可以在50V下提供＞350W的功率。该器件所表现出的＞30dBc的强线性度，以及其＞65:1的VSWR，是其它重要特性。

图4：使用ART1K6FH的高线性射频通信放大器

总结

在未来很长一段时间内，LDMOS将继续在所有多用途细分市场与GaN技术形成竞争。LDMOS的性价比在今天已非常明显，这使其具有相当大的吸引力。此外，该领域所正在进行的工程创新将继续推动其优势。Ampleon的ART晶体管系列所能达到的有吸引力的价格点将会继续降低，同时它还将定期进行显著的性能改进。因此，对于需要从技术和预算角度满足需求的RF工程师来说，该系列仍将是实现引人注目的解决方案的来源。