一種S波段寬帶GaN放大器的設計

摘要：氮化鎵功率管的寬帶隙、高擊穿電場(chǎng)等特點(diǎn)，使其具有帶寬寬，高效特性等優(yōu)點(diǎn)。為了研究GaN功率放大器的特點(diǎn)，使用了Agilent ADS等仿真軟件，進(jìn)行電路仿真設計，設計制作了一種S波段寬帶GaN功率放大器。詳述了電路仿真過(guò)程，并對設計的寬帶GaN功率放大器進(jìn)行測試，通過(guò)測試的實(shí)驗數據表明，設計的寬帶放大器在S波段寬帶內可實(shí)現功率超過(guò)44 dBm的功率輸出，驗證了GaN功率放大器具有寬帶的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：GaN；平坦度；仿真設計；寬禁帶；半導體；功率放大器

0 引言
新一代半導體功率器件主要有SiC場(chǎng)效應晶體管和GaN高電子遷移率晶體管。有別于第一代的Si雙極型功率晶體管和第二代GaAs場(chǎng)效晶體管，新一代SiC和GaN半導體材料具有寬禁帶、高擊穿場(chǎng)強、高功率密度以及抗輻射能力強等優(yōu)點(diǎn)，理論上特別適合應用于高頻、高功率、抗輻射的功率器件的場(chǎng)合。由于具備這些優(yōu)點(diǎn)，寬禁帶半導體功率器件可以明顯提高電子信息系統的性能，廣泛應用于雷達、通信、戰斗機、海洋勘探等重要領(lǐng)域。本文使用Agilent ADS仿真軟件設計實(shí)現一款GaN寬帶功率放大器，并對放大器進(jìn)行了詳細測試，驗證了放大器在S波段2GHz帶寬內的寬帶性能。

1 設計目標
設計一款S波段寬帶放大器，滿(mǎn)足如下指標：
工作頻率：S波段；
工作帶寬：±1 000 MHz；
輸出功率：≥44 dBm；
效率：≥30％。

2 寬帶放大器設計
2．1 功率器材的選擇
為了在S波段2 GHz帶寬內輸出25 W的功率，對射頻功率管有一定的要求：例如低的輸出寄生電容、導通電阻等。常用的硅雙極管由于單管胞輸出功率有限，在高輸出功事下，多管胞合成后的特性不能滿(mǎn)足寬帶設計要求。因此，具有較高功率密度、低導通電阻、低寄生電容、高輸出阻抗的寬禁帶器件是實(shí)現該設計的首選。
基于GaN器件的寬帶功率放大器，國外公開(kāi)的報道已經(jīng)完成了三代基于管芯的寬帶功放研制。第一代功率放大器采用改進(jìn)的行波放大器結構，帶寬為1～8 GHz，小信號增益為7 dB，Vds=18 V時(shí)輸出功率3．6 W；第二代功率放大器采用LCR匹配，并使用2個(gè)Wilkinson合成器實(shí)現4路合成，帶寬3～10 GHz，小信號增益是7 dB，在8 GHz處最高輸出功率可達8．5 W，功率附加效率達到20％；第三代功率放大器采用改進(jìn)的2x2矩陣行波功率放大器結構，帶寬1～6 GHz，輸出功率7．5 W，功率附加效率達到25％。
然而由于寬禁帶固態(tài)器件目前還處于迅速發(fā)展階段，且在軍事及航空航天領(lǐng)域的應用潛力，導致高頻、大功率、管芯等器件還處于禁運狀態(tài)，因此該設計使用的寬禁帶功率管為允許對國內銷(xiāo)售的貨架產(chǎn)品。經(jīng)綜合比較，選定的器件指標如表1所示。

2．2 ADS射頻仿真
經(jīng)典的寬帶匹配理論由H·W·Bode發(fā)表于1945年，他應用環(huán)路積分的方法對RC并聯(lián)負載計算了匹配網(wǎng)絡(luò )的增益帶寬積，證明其小于等于一個(gè)常數。其后R·M·Fano，D·C·Youla等人進(jìn)一步發(fā)展了寬帶匹配理論。然而，在工程應用設計中，設計一個(gè)寬帶功率放大器，需要在寬帶匹配理論的基礎上，兼顧其拓撲結構、寬帶匹配網(wǎng)絡(luò )和寬帶偏置網(wǎng)絡(luò )等；因此，該設計將基于功率匹配的概念，利用大信號下的輸入／輸出阻抗、精確的非線(xiàn)性模型、諧波平衡仿真、負載牽引仿真設計等，實(shí)現目標頻段的射頻性能。
在仿真設計過(guò)程中，單節拓撲結構電路因其本身Q值較高，匹配的頻率范圍窄，只有在窄頻范圍內匹配較好，不能用于寬帶匹配。因此，只能利用結構復雜的多節拓撲結構電路進(jìn)行匹配，并利用負反饋技術(shù)提高穩定性和拓展帶寬。多節匹配電路的特點(diǎn)相對于單節電路結構復雜，占用幾何空間大，可控變量多，仿真分析需要更多時(shí)間，但其優(yōu)點(diǎn)是能夠在更寬的帶寬中尋求更好的匹配設計。
在多支節匹配網(wǎng)絡(luò )中，輸入端各有多段微帶線(xiàn)，每個(gè)微帶線(xiàn)有長(cháng)度和寬度兩個(gè)變量，這樣在輸入端和輸出端都有多個(gè)可控變量，進(jìn)行ADS優(yōu)化仿真設計。在阻抗匹配電路的設計時(shí)，實(shí)際上是通過(guò)共軛匹配將要匹配的器件的端口逐漸匹配到50 Ω的特性阻抗上。又因為一般器件的輸入／輸出阻抗在射頻頻段內是隨著(zhù)頻率的變化而變化的，所以在用分布參數進(jìn)行電路匹配時(shí)，不可能在所要求的頻段內達到完全的匹配，在寬帶要求的情況下，更加難以實(shí)現。