一種小型化高線性GaN功放器設(shè)計

李小春

(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

?

一種小型化高線性GaN功放器設(shè)計

李小春

(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

采用ADS軟件對一種高線性GaN功率放大器進(jìn)行匹配電路設(shè)計，并制作了一款超小尺寸的高線性放大電路。該電路采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作為基板，放大晶體管選用無封裝芯片，在5mm×6mm的小尺寸范圍內(nèi)完成電路制作。制作的小尺寸高線性放大電路實現(xiàn)了在輸入雙音信號頻率為4GHz和4.002GHz、輸出總功率為2W時，三階互調(diào)抑制35dBc，功率附加效率35%。

ADS軟件；高線性;功率放大器

0 引 言

功率放大器是現(xiàn)代射頻通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，功率放大器的輸出功率、效率以及線性度等會對整個無線系統(tǒng)產(chǎn)生非常重要的影響。在現(xiàn)代雷達(dá)通信系統(tǒng)中，處理多載波、變包絡(luò)的調(diào)制信號的末級線性功率放大器起著舉足輕重的作用。功率放大器的非線性失真對通信系統(tǒng)的影響很大，其產(chǎn)生的干擾會導(dǎo)致輸出信號的相位和幅度發(fā)生畸變，造成頻譜擴(kuò)展。頻譜作為一種不可再生的自然資源現(xiàn)在已變得日益緊張。因此，射頻系統(tǒng)對線性度的要求越來越高。

易匹配、穩(wěn)定性好、功率高、尺寸小的功放可以給應(yīng)用帶來不少方便，減少設(shè)計難度。常用的功放設(shè)計技術(shù)有微波混合集成電路(MMIC)技術(shù)和印制電路板(PCB)技術(shù)。MMIC功放尺寸小，研制周期長;PCB功放尺寸大，研制周期短。本文介紹的4GHz高線性功放結(jié)合MMIC和PCB的優(yōu)勢，功率管選用無封裝芯片，高介電常數(shù)瓷片作為基板，用芯片電容和微帶線進(jìn)行匹配電路設(shè)計，在5mm×6mm的小尺寸范圍內(nèi)實現(xiàn)了高線性功放的設(shè)計。

1 功放設(shè)計

1.1 功放原理

放大器的穩(wěn)定性是放大器設(shè)計時需要考慮的一項重要因素，分為無條件穩(wěn)定和條件穩(wěn)定2類，通常用Rollet系數(shù)來檢驗。Rollet系數(shù)定義為：

(1)

其中：

|Δ|=|S11S22-S12S21|

(2)

當(dāng)K>1和|Δ|<1同時滿足時，放大器是無條件穩(wěn)定的。

功放的原理圖如圖1所示。采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作為基板，其相對介電常數(shù)為9.9，損耗角正切為0.000 2。仿真用的晶體管模型采用廠家提供的小信號S參數(shù)模型。使用Agilent公司的ADS電路系統(tǒng)仿真軟件對放大電路進(jìn)行仿真，通過優(yōu)化無源器件的值和傳輸線的參數(shù)得到最大增益。仿真增益與頻率曲線如圖2所示。輸入輸出駐波與頻率曲線如圖3所示。

圖2 仿真增益與頻率仿真曲線

圖3 仿真輸入輸出駐波與頻率仿真曲線

1.2 電路版圖設(shè)計

小型化2W功率放大器采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作為基板，先將功率管芯片和基板燒結(jié)到鉬銅載體上，再將芯片電容用導(dǎo)電膠粘接到瓷片上進(jìn)行電路匹配，最后用直徑為25μm的金絲通過鍵合方式實現(xiàn)連接。布線采用的工藝最小線寬、線間距均為100μm，孔直徑為200μm。瓷片底部要求高溫焊接，通孔采用金屬化孔，以保證電導(dǎo)率。圖4所示為制作的放大電路實物照片，放大器電路有效面積為5mm×6mm。

圖4 放大器實物照片

2 放大器性能

制作的小型化高線性放大器的工作點為漏源電壓+28V，柵源電壓-1.2V，漏源靜態(tài)電流為50mA。

在3.7～4.2GHz頻段內(nèi)實測的增益隨頻率的變化曲線如圖5所示。輸入輸出端口駐波隨頻率的變化曲線如圖6所示。

圖5 小信號增益隨頻率變化曲線

圖6 輸入/輸出駐波隨頻率變化曲線

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，實測結(jié)果和仿真結(jié)果吻合得比較好。實測的增益比仿真小約0.7dB，主要原因為在真模型中未考慮鍵合引線的影響，另外還有有源和無源元器件的實際參數(shù)與標(biāo)稱參數(shù)誤差的影響。

放大電路的仿真是基于廠家給出的小信號S參數(shù)模型。廠家未給出晶體管放大器的大信號模型，所以未對放大電路進(jìn)行大信號模式下的三階互調(diào)和功率附加效率仿真。

在輸入雙音信號頻率為4GHz和4.002GHz時，對放大電路的非線性進(jìn)行了測量。在輸出總功率為2W時，三階互調(diào)抑制為35dBc，漏源動態(tài)電流為200mA，功率附加效率為35%。

3 結(jié)束語

本文采用ADS軟件對一種高線性GaN放大器進(jìn)行匹配電路設(shè)計，并制作完成了一款超小尺寸的高線性放大電路。該電路采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作為基板，用芯片電容進(jìn)行電路匹配，鍵合引線進(jìn)行端口連接，在5mm×6mm的小尺寸范圍內(nèi)完成電路設(shè)計并實現(xiàn)預(yù)期指標(biāo)。與常規(guī)采用封裝晶體管及表貼器件進(jìn)行匹配設(shè)計的放大器相比，在性能相當(dāng)?shù)那闆r下，極大地縮小了體積，提高了集成度。測試結(jié)果表明, 該小型化高線性放大器性能優(yōu)良,適合于工程應(yīng)用生產(chǎn)。

[1]MISHRAUK,SHENL,KAZIORTE,etal.GaN-basedRFpowerdevicesandamplifiers[J].ProceedingsofTheIEEE,2008,2(96):25-27.

[2]CHEHRENEGARP,AXELSSONO,GRAHNJ,RORSMANN,etal.Designandcharacterizationofhighlylinear3GHzGaNHEMTamplifier[C]//HolgerArthaber,GottfriedMagerl.2011WorkshoponIntegratedNonlinearMicrowaveandMillimetre-waveCircuits,IEEE.Vienna,2011:1-4.

[3]SAYEDA,BOECKG.5WHighlylinearGaNpoweramplifierwith3.4GHzbandwidth[C]//ProceedingsofThe37thEuropeanMicrowaveConference.Munich,Germany,2007:631-634.

[4]BROZNICA,BLECICR,BARICA.A2.5GHzGaNpoweramplifierdesignandmodelingbycircuit-electromagneticco-simulation[C]//ProceedingsofThe35thInternationalConventionMIPRO,IEEE.Opatija,Croatia,2012:21-25.

[5]POZARDM.微波工程[M].張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

DesignofAMiniaturizationGaNPowerAmplifierwithHighLinearity

LIXiao-chun

(The13thResearchInstitute;ElectronicsTechnologyGroupCorporationofChina,Shijiazhuang050051,China)

ThispaperusesADSsoftwaretodesignamatchingcircuitfortheGaNpoweramplifierwithhighlinearity,andmakesanultra-miniamplifyingcircuitwithhighlinearity.ThecircuitusesAl2O3ceramicof0.254mmthicknessasbasicboard,andtheamplifyingtransistorselectsthechipwithnoencapsulation,thenthecircuitisfabricatedinsmallsizeofonly5mm×6mm.Thefabricatedsmallamplifyingcircuitwithhighlinearityrealizes:third-orderintermodulationrejectionis35dBcandthepoweradditionalefficiencyis35%whentheinputtwo-tonesignalfrequenciesare4GHzand4.002GHzandthetotaloutputpoweris2W.

ADSsoftware；highlinearity;poweramplifier

2016-01-26

TN

B

CN32-1413(2016)03-0118-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.030