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一种紧凑型高可靠性氮化镓HEMT使能的可切换带通滤波器
A Compact and Robust GaN HEMT-Enabled Switchable Bandpass Filter for Integrated RF Systems
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN HEMT X波段 可开关带通滤波器 低插入损耗 射频前端模块 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种高度小型化的基于氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）的X波段可切换带通滤波器。该滤波器采用碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）单片微波集成电路（MMIC）技术，在保持高性能和高集成能力的同时实现了小型化。提出了一种采用耦合线结构的带通滤波器拓扑，以实现低插入损耗（IL）和高功率处理能力。基于HEMT的开关单元可通过直流（DC）偏置调整来调节传输零点（TZ），并实现导通和关断状态之间的切换。所提出的可切换滤波器已完成制作和测试，其芯片尺寸小（0.6毫米×0.855毫米），3分贝带宽为2.75吉赫兹（分数带宽FBW = 25%），最小带内插入损耗为1.85分贝，输入1分贝压缩点（IP1dB）为34 dBm。在关断状态下，滤波器的抑制能力达到26分贝。测量结果与仿真结果吻合良好。这项工作凸显了高频组件在先进集成和可制造性方面的潜力，有助于紧凑型高效射频（RF）前端模块的发展。
English Abstract
In this article, a highly miniaturized GaN HEMT-enabled X-band switchable bandpass filter is proposed. The filter utilizes GaN-on-SiC monolithic microwave integrated circuit (MMIC) technology to achieve miniaturization while maintaining high performance and integration capabilities. The bandpass filter topology using a coupled line structure is proposed to achieve low insertion loss (IL) with high power handling capability. A HEMT-based switching unit enables tuning of the transmission zero (TZ) and switching between ON and OFF states via direct current (DC) bias adjustment. The proposed switchable filter has been fabricated and measured, and it exhibits a small die size (0.6mm×0.855mm), a 3-dB bandwidth of 2.75 GHz (FBW = 25%), a minimum in-band IL of 1.85 dB, and an input 1 dB compression point (IP1dB) of 34 dBm. In the OFF state, the filter achieves a suppression of 26 dB. The measurement results show good agreement with the simulations. This work highlights the potential for advanced integration and manufacturability in high-frequency components, contributing to the development of compact and efficient radio frequency (RF) front-end modules.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于GaN HEMT的可开关带通滤波器技术虽然主要面向射频通信领域，但其核心技术路径与我们在功率电子领域的发展方向存在显著的技术协同性。
首先，该技术采用的GaN-on-SiC MMIC工艺与阳光电源在高功率密度逆变器中推进的GaN功率器件应用具有材料体系的相通性。GaN器件在高频、高温、高功率密度场景下的优异特性，正是我们在组串式逆变器和储能变流器（PCS）中追求的技术方向。论文展示的34 dBm功率处理能力和紧凑封装（0.6mm×0.855mm）证明了GaN技术在极小体积内实现高功率密度的可行性，这对我们开发下一代超高功率密度逆变器具有借鉴价值。
其次，该滤波器的低插入损耗（1.85 dB）和高集成度设计理念，与阳光电源在无线通信型逆变器、智能运维系统中对射频模块的需求高度契合。随着光伏电站和储能系统向智能化、物联网化发展，设备间的无线通信（如LoRa、5G）需求日益增长，集成化的高性能射频前端模块可有效提升系统通信可靠性并降低成本。
然而，该技术当前仍处于实验室验证阶段，从射频应用向功率电子领域的跨界转化存在挑战：GaN射频器件与功率器件在设计优化目标、工作频段、热管理要求上存在差异。建议阳光电源可关注其MMIC集成工艺和热设计方法，探索在逆变器辅助电源、EMI滤波、无线充电等细分场景的应用可能性，同时加强与GaN产业链上游的技术交流，推动功率电子与射频技术的融合创新。