Qorvo GaN PA可在27–31和32–38GHz频率范围中提供100W输出功率

Qorvo公司新推出的增强型mmWave Spatium®放大器可在紧凑型包络中提供出色的组合效率和带宽，适用于卫星地面基站、5G基础设施、雷达和电子战等高性能应用。

凭借其最新的GaN MMIC技术，Qorvo开发出了两款mmWave Spatium产品，且两款产品都实现了批量生产：

QPB2731：可在27-31 GHz的频率范围下提供100 W输出功率。

QPB3238：可在32-38 GHz的频率范围下提供100 W输出功率。

这两款固态功率放大器(SSPA)可处理连续波(CW)、脉冲和调制射频波形，且具有两个偏置选项，以满足应用需求。

与先前的Spatium技术一样，mmWave Spatium采用了层压天线结构，这样就可以在准横向电磁(TEM)同轴环境中整合16个元件。理论上，这使得SSPA的功率比每个MMIC的功率高出12 dB。

在构建放大器之前，Qorvo设计了一个无源结构，用于评估组合网络的性能，以在不使用MMIC的情况下，复制放大器射频路径。在输入端，射频信号通过2.92 mm母连接器进入，然后在一个超大的同轴区域内以物理方式扩展为层压、端射天线阵列，该阵列将射频信号分成16等分信号，每个信号都有一条连接到MMIC输入端的微带传输线（参见图1）。

然而，在无源结构中，微带传输线连接至另一个在输入端实现逆转的层压天线阵列。在大多数情况下，大功率放大器(HPA)的输出需要具有适当功率处理能力的输出连接，如WR28波导。这种无源测试结构的输出端使用了一个2.92 mm母连接器，用于与标准网络分析仪实现宽带连接。

每个层压件都被焊接到镀银铜制叶片上，当沿着主轴观察时，形成一个1/16楔形。

核心层压材料选择使用AGC TaconicTLY-5Z，因为该材料具有较低的介电常数(εr=2.2)和相对较低的介电损耗角正切（10 GHz频率下为tanδ=0.0015），有助于实现天线结构的宽带、低损耗性能。

尽管无源层压件上的金属喷镀覆盖了一层符合IPC要求的浸镀银，以防止铜氧化，但放大器设计通常使用黄金喷镀，以兼容MMIC上的金线焊件。

图2 无源组件插入损耗(a)和回波损耗(b)的模拟值与测量值比较。

该无源结构采用ANSYS HFSS进行设计和分析。无源结构插入损耗和回波损耗的模拟值与测量值比较如图2所示。

虽然测量值（红线）与模拟值（蓝线）之间存在很小的偏差，但总的说来两者之间的相关性比较高，且所观察到的性能可用于放大器开发。插入损耗测量值反应了整个射频路径的损耗，即输入和输出损耗。在SSPA中，MMIC朝输出方向布置，这样50%以上的微带传输线在MMIC之前。因此，输出插入损耗的合理估计值为0.67 dB，可实现86%的组合效率。

图3 QPA2211(a)和TGA2222(b)的典型输出功率和PAE。

在QPB2731设计中，Qorvo公司的QPA2211 GaN MMIC被选作HPA。QPA2211专为提供14 W饱和输出功率和5 W线性CW输出功率，在CW运行条件下可实现34%功率附加效率(PAE)（参见图3）。在QPB3238N设计中，TGA2222 GaN MMIC被选作RF HPA；其指定的CW饱和输出功率为40.2 dBm，32-38 GHz频率范围内的PAE为22.3%，裸片背面温度为25°C（参见图3）。这两个器件均采用了Qorvo公司的0.15μm SiC衬底GaN生产工艺(QGaN15)。

图4 在25°C钳位温度条件下，QPB2731(a)和QPB3238(b)的输出功率和漏极效率测量值。

图4显示的是25°C钳位温度条件下，QPB2731和QPB3238 SSPA的输出功率和漏极效率测量值。请注意，裸片和SSPA数据之间的热参考点差异。采用CW信号在饱和功率条件下运行时，自热可能会提高裸片背面温度，使其高于SSPA钳位温度50°C以上。因此，图3和图4显示的并不是“一对一”比较；尽管如此，从图中可以看出，在组合各个MMIC的功率后，mmWave Spatium平台表现良好。

图5 mmWave Spatium提供外部(a)和集成式(b)偏置配置。

为便于系统集成，Qorvo为mmWave Spatium产品提供了两个偏置选项。第一种选项采用单独的偏置卡，可通过SSPA进行远程操作，包含可根据操作环境完全定制放大器的微控制器（参见图5a）。第二种选项集成度更高，从而可实现更紧凑的外形设计（参见图5b）。

这两种解决方案都可提供GaN MMIC所需的时序控制和栅极电压控制，所以用户只需在电源连接器处施加基本电压即可为SSPA供电。

来源：Qorvo半导体