一種新型的寬帶阻抗匹配技術設計與實現

曲 燕，司國梁，陳曉梅

（中國電子科技集團公司51所，上海 201802）

0 引 言

對于高頻交流電路，除了電阻會阻礙電流以外，電容和電感也會阻礙電流的流動，這種作用被稱為電抗，電容和電感的電抗分別被稱為容抗及感抗，而容抗和感抗的值除了與電容和電感本身大小有關之外，還與所工作的交流電的頻率有關。頻率愈高，則容抗愈小，感抗愈大；頻率愈低，則容抗愈大，而感抗愈小［1］。因此實現寬帶范圍內的匹配成為一項技術難題。

由于GaN等新型半導體材料（包括SiC、Zn O等寬禁帶半導體）的匹配阻抗高，有利于實現寬帶范圍內的匹配，同時由于其無反向恢復、散熱性能好等特點，使得寬帶匹配阻抗成為可能，GaN等寬禁帶半導體材料正成為重要的半導體材料之一。本文利用Ga N寬禁帶功率器件的特性，并不再將功放在全頻段內匹配為50Ω，而是權衡輸出功率和增益參數，將同時滿足功率和增益要求的輸出負載作為最佳匹配負載阻抗進行設計，實現良好的輸出功率和增益指標，并利用該方法設計實現了150 W功率放大器。

1 寬禁帶半導體功率器件的性能特點

隨著微電子技術的發展，傳統Si和Ga As半導體器件性能已接近其材料本身決定的理論極限，其固有的一些物理屬性，如帶隙較窄、電子流動性和擊穿電場較低等限制了它在高頻、高功率器件方面的應用，而GaN器件則在這方面擁有天然的優勢。Ga N器件作為第3代半導體材料，具有獨特的半導體特性，例如大的直接帶隙能、高的飽和漂移速度、大的導帶不連續性、良好的熱穩定性以及強的自發和壓電極化效應，可減少放大級數或者可采用體積較小的元器件，整體上縮減了結構尺寸，并且由于效率提高、器件精簡而獲得了系統整體上的成本節約。

2 設計思路及方法

對于任何功率放大器，它必須在工作頻段內是穩定的，同時還應具有最大的輸出功率和最佳的輸出效率。在功放的匹配網絡設計中，需要選擇合適的源阻抗和負載阻抗，而這種選擇與功率放大器的穩定性、輸出功率、效率以及增益相關。本試驗采用CREE公司提供的Ga N HEMT CGH40180pp，設計并實現L波段（0.8～1.2 GHz）的功率放大器。

2.1 穩定性分析

首先對功率管進行穩定性分析和穩定電路的設計，保證穩定系數K在整個頻段內大于1，以防止由于電路的不穩定引起功放管自激甚至損壞。在功放設計中解決穩定性的常用辦法是在功率管輸入端加入負反饋電路來消耗過多的能量，如圖1所示。

圖1 穩定電路圖

2.2 阻抗匹配設計

在解決穩定問題后，就需要對功率管進行輸入輸出阻抗匹配，這就要用到寬帶阻抗匹配電路。通常在設計輸入阻抗匹配電路時需要考慮穩定、增益、增益平坦度、輸入駐波比等；在輸出匹配電路設計時需要考慮諧波抑制、輸出駐波比、損耗等。而且在設計輸出匹配電路之前，要仔細分析是按最大功率輸出還是額定功率輸出來選擇輸出阻抗參數，以便于得到需要的輸出功率。在本功放設計中，出發點是輸出最大功率，采用負載牽引和源牽引相結合的方法來設計輸入、輸出匹配網絡。雖然GaN器件跟原來的Ga As器件相比，寬帶阻抗特性有所提高，但是它的內部反饋及寄生參量受頻率的影響很大，通過負載牽引法得到的高功率、高效率最佳源阻抗與負載阻抗也會隨頻率變化。因此要求設計出的匹配網絡能夠順應這種變化趨勢，以得到每個頻點的最高效率［2］，這就加大了匹配網絡的設計難度。本文的思路是在先進的設計軟件（ADS）仿真環境中選擇1組源阻抗與負載阻抗值作為實現寬帶高效的最佳匹配點，保證在此阻抗條件下，功放于全頻段內達到較高的輸出功率和效率。

為了避開電路的復雜性和非線性，簡化網絡的輸入、輸出特性，特別是不必考慮系統內部結構，可以利用ADS進行源牽引與負載牽引，此處諧波阻抗全設為短路狀態。這里匹配考慮到微帶線兩側有接地的敷銅，會影響傳輸線阻抗的匹配值，應該采用共用波導（CPW）型傳輸線，使用ADS中提供的Load－Pull和Source－Pull仿真功能對功放管進行負載牽引仿真，從而得到該功放管在Smith圓圖上的最佳效率點（PAE）和最佳功率傳輸點（Pdel），并用曲線標明其在整個帶寬內的變化趨勢。根據這2個點和功放指標，折衷選擇靠近這條曲線中段某點作為最佳源和負載匹配點，能夠在帶寬內較好地達到效率、輸出功率。

由上述分析，得到最佳匹配點的阻抗為：

式中：ZLopt為負載阻抗；ZSopt為源阻抗。

根據最佳匹配點阻抗值，采用分布參數和集總參數混合匹配的方法來設計輸入輸出匹配電路。然后根據大功率管的S參數特性，利用ADS軟件進行匹配優化，最后得到：S11為－21.85 dB，S22為－27.42 d B，S21為17.6 d B，并選用如圖2所示的匹配電路。

圖2 微波匹配拓撲圖

將S參數和匹配電路的拓撲結構輸入計算機，完成超寬帶電路匹配，最終得到印制板的準確尺寸，并進行制版。

2.3 實際設計結果

使用羅杰斯的 RO4350 20－mil作為基底［3］，按照仿真結果進行印制電路板（PCB）制板，實物如圖3所示。

圖3 功放實物照片

對功率放大器進行測試，測試條件為：連續波工作，靜態電流I DQ＝2.0 A，漏極電壓Vd＝28 V、柵極電壓Vg＝ －3.1 V、輸入功率Pin＝7.0 W。測試結果如圖4所示。

圖4 測試結果

測試結果中，該功率放大器在0.8～1.2 GHz頻段，增益達到18 dB以上，輸出功率大于150 W，效率大于40% ，帶內平坦度小于±0.5 dB，達到了設計要求。

3 數據分析

3.1 帶寬

本實驗中，功率放大器的工作帶寬達到0.8～1.2 GHz，體現出GaN寬禁帶功率器件工作頻帶寬的優勢。

3.2 增益與效率

功放單極放大實現了18 dB的高增益，可有效地減少放大鏈級數，減少調試成本，縮短調試周期。采用功率增益大的晶體管還可以在高頻輸入信號功率較小時，達到預期的輸出功率指標。因而有利于提高功率放大器的總效率。

3.3 工作電壓

本試驗中的GaN功率器件工作電壓28 V，工作電流較小。減小工作電流，有利于減小電源供電帶來的損耗，提高電源供電效率，適用于工程中器件的大規模使用。

3.4 可靠性

晶體管功率器件的損壞與其擊穿電壓有著很密切的關系。GaN功率器件的擊穿電壓是Ga As的3～5倍、橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應管的1.5～2倍，抗擊穿能力強，可提高放大器的可靠性。

4 結束語

本文利用Ga N寬禁帶功率器件、采用新型的寬帶匹配方法設計制作了L波段（0.8～1.2 GHz）

150 W功率放大器。試驗測試結果證實了Ga N寬禁帶功率器件高增益、高效率、高可靠性的特點。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，可廣泛應用于雷達、通信、電子對抗等重要領域。

［1］丁耀根，沈斌，丁海兵.負載不匹配對大功率速調管輸出特性的影響［J］.強激光與粒子束，2011，23（5）：1319－1322.

［2］王勇，張健，王穎.12%帶寬S波段大功率速調管的研制［J］.微波學報，2010（S1）：491－493.

［3］Fano R M.Theoretical Limitations on the Broadband Matching of Arbitrary Impedance［R］.Cambridge，MA：Research Laboratory of Electronics in MIT，1948.