高增益寬頻帶GaN功率放大器設(shè)計(jì)

張佳浩（山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，山東青島，266510）

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高增益寬頻帶GaN功率放大器設(shè)計(jì)

張佳浩
（山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，山東青島，266510）

摘要：針對(duì)新一代半導(dǎo)體材料氮化鎵（Gallium Nitride，GaN）帶寬大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，利用ADS諧波平衡仿真軟件，設(shè)計(jì)了一個(gè)1.5~2.5GHz寬帶高效的功率放大器。設(shè)計(jì)采用Cree公司的GaN 高電子遷移率晶體管CGH40010F，利用晶體管的大信號(hào)模型進(jìn)行電路仿真，結(jié)果顯示，功放在1.5~2.5GHz頻帶內(nèi)，飽和輸出功率大于41.7dBm，小信號(hào)增益大于18dB，功率附加效率大于70%。

關(guān)鍵詞：氮化鎵；功率放大器；效率；電抗匹配

0　引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，能量耗損對(duì)通信系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，而功率放大器是通信系統(tǒng)能耗的一個(gè)重要組件，因此超寬帶、高效率的功率放大器成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展的迫切需求。第三代半導(dǎo)體材料GaN高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor， HEMT）具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、電子飽和漂移速度大、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強(qiáng)等突出特點(diǎn)，特別適合于制作高頻、高壓、高效、大功率微波器件，基于GaN HEMT的高效功率放大器目前已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和通信等領(lǐng)域。

本文利用Cree公司CGH40010F GaN高電子遷移率晶體管的大信號(hào)模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，構(gòu)建穩(wěn)定電路和阻抗匹配電路，搭建功率放大器電路。阻抗匹配電路運(yùn)用切比雪夫?qū)拵ヅ涞脑O(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)1.5~2.5GHz頻段內(nèi)阻抗的良好匹配，且輸出功率高達(dá)41.7dBm，PAE＞70%，增益大于18dB。

1　功率放大器設(shè)計(jì)

1.1靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇

功率放大器依據(jù)輸入輸出信號(hào)的不同關(guān)系可以分成不同的類別，主要分為：A、B、AB、C、D、E和F這幾類。為有源器件配置不同的偏置條件，就可以使放大器工作在不同的狀態(tài)（即不同的類）。本文設(shè)計(jì)的功放工作在AB類模式下，其效率和線性度能夠?qū)崿F(xiàn)較好的折中。

Cree公司的GaN HEMT器件CGH40010F，工作頻段在DC~6GHz，最大輸出功率為13W，結(jié)合晶體管手冊(cè)可以得到靜態(tài)工作點(diǎn)為漏極電壓VD=28V，柵極電壓VG= -2.7V，漏極電流ID=219mA，略大于手冊(cè)中200mA的漏極電流。

1.2偏置電路和穩(wěn)定性分析

偏置是放大器設(shè)計(jì)的重要部分，可以給晶體管提供有效激勵(lì)，偏置電路可以集成在匹配網(wǎng)絡(luò)中，也可以是獨(dú)立的，當(dāng)偏置電壓作用于器件時(shí)，RF能量不能通過(guò)偏置端口泄露，否則RF的性能將會(huì)降低。比較不同的偏置電路后，本設(shè)計(jì)選擇獨(dú)立的偏置網(wǎng)絡(luò)給晶體管提供有效的激勵(lì)，主要由一個(gè)DC模塊和射頻扼流圈組成。

設(shè)計(jì)放大器時(shí)還需要對(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)定性分析，在電壓波動(dòng)和阻抗波動(dòng)時(shí)都要保證穩(wěn)定因子k＞1，B＞0。穩(wěn)定因子k和B可表示為：

其中

如果k＞1，那么電路就是無(wú)條件穩(wěn)定的。對(duì)CGH40010F進(jìn)行穩(wěn)定性分析可得，在1.5~2.5GHz頻段內(nèi)，k＜1，電路是不穩(wěn)定的，因此，還要加入一個(gè)典型的RC并聯(lián)電路，使放大器在該頻段內(nèi)保持穩(wěn)定。

1.3匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

在ADS中，對(duì)CGH40010F進(jìn)行源/負(fù)載牽引仿 真 測(cè)試，得到中心頻率2GHz處最佳PAE輸入/輸出阻抗，Zout=18.3+j*12.3Ω，Zin=5.1-j*2.4Ω。功率放大器的端口阻抗均為50Ω，因此需要進(jìn)行阻抗變換，在進(jìn)行阻抗變換之前，先用λ/8變換器將復(fù)阻抗變換到一個(gè)實(shí)阻抗，其變換公式如下：

為了實(shí)現(xiàn)寬頻帶的匹配，設(shè)計(jì)采用切比雪夫變換器的方法將輸入/輸出阻抗匹配到50Ω，λ/4二階切比雪夫變換器的Z1數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　λ/4二階切比雪夫變換器的Z1數(shù)據(jù)表

表1　λ/4二階切比雪夫變換器的Z1數(shù)據(jù)表

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其中，R為匹配阻抗之比，ωq為相對(duì)帶寬，

根據(jù)切比雪夫變換器的數(shù)據(jù)表，查找對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行逆歸一化得到微帶線阻抗值，利用ADS的微帶線計(jì)算工具，計(jì)算匹配網(wǎng)絡(luò)微帶線的尺寸。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)采用FR-4環(huán)氧樹脂板，εr=4.3，介質(zhì)板厚度為0.8mm。圖1是功率放大器的電路圖，仿真得到的結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出功率放大器輸入功率為30dBm時(shí)，輸出功率大于41dBm，PAE大于70%。

3　結(jié)論

本文依據(jù)CGH40010F的大信號(hào)模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)1.5~2.5GHz 的GaN功率放大器。設(shè)計(jì)主要是對(duì)輸入輸出匹配方式的選擇和匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。在對(duì)電路優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)的微帶線進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了阻抗的良好匹配。在1.5~2.5GHz的頻段內(nèi)，測(cè)得小信號(hào)增益大于18dB，輸出飽和功率大于41dBm，帶內(nèi)PAE的最大值超過(guò)70%。

參考文獻(xiàn)

［1］王麗，王翠梅.第3代半導(dǎo)體材料GaN基微波功率器件研究和應(yīng)用進(jìn)展.新材料產(chǎn)業(yè)2014，No.3：13-17

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Design of the GaN power amplifier for high gain and ultra-wideband

Zhang Jiahao
（College of Electronic Communication and Physics，Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong，266510）

Abstract：This letter designs a 1.5~2.5GHz broadband highly efficient PA using the ADS harmonic-balanced simulator based on GaN，a new semiconductor materials with wide bandwidth and high efficience.The PA was designed with Cree’s GaN HEMT CGH40010F，and simulated with its large signal model.The result shows that the PA had a saturated power above 41.7dBm，a small signal gain over 18dB and the PAE above 74% in 1.5~2.5GHz frequency band.

Keywords：GaN；Power amplifier；Efficience；Reactive matching network

作者簡(jiǎn)介

張佳浩（1990-），男，碩士研究生，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

圖1　功率放大器電路圖

圖2　功率放大器仿真結(jié)果