C波段GaN HEMT內匹配功率放大器

徐 濤，唐厚鷺，王昭筆，曹歡歡

(1.電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610000；2.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

C波段GaN HEMT內匹配功率放大器

徐 濤1，唐厚鷺1，王昭筆1，曹歡歡2

(1.電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610000；2.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

基于通信對功率放大器的寬帶和高效率的需求，給出了一款C波段GaN HEMT內匹配功率放大器的設計過程。該器件由2個3 mm柵寬的GaN功率管芯和制作在Al2O3陶瓷基片上的輸入輸出匹配電路組成。通過調節鍵合絲和電容，實現了功率放大器在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三個典型工程應用頻段的設計，功放在這3個典型工程應用頻段內輸出功率均大于43 dBm(20 W)，附加效率大于60%，功率增益大于10 dB，充分顯示了GaN功率器件寬帶、高效率的工作性能。

GaN；HEMT；寬帶；高效率；功率放大器

0 引言

射頻/微波功率器件在軍工和民品領域都有廣泛的應用，如通信、雷達、導航和衛星等，其性能好壞直接影響整個設備和系統的性能。GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor，HEMT)憑借其高功率密度、功率附加效率和擊穿電壓等特點，成為近年來各國微波功率器件研究的重點[1]。無線通信技術取得了迅猛發展，對固態功率放大器的需求日益增多，對產品的性能也提出了更高的要求。如何在保證產品質量的同時，低成本、高效率地完成產品的研制，成為功放研制的一個重點[2]。由于對功放的頻段、種類和功率量級的需求越來越多樣化，因此經常需研制每個工程頻段/每個功率量級的功放，使得設計和投板次數增多，研制周期變長?？梢?，一個功率放大器若帶寬很寬、效率很高，將大大縮短研制周期，并將在國防和軍事領域取得更大的應用。

針對多個行業對寬帶、高效率功率放大器的迫切需求，本文給出了C波段GaN HEMT寬帶、高效率功率放大器的設計過程、測試方法和測試結果。

1 GaN HEMT器件

設計所采用的GaN HEMT管芯是國產自主研制，器件結構如圖1所示。首先，用金屬有機物化學氣相淀積技術(MOCVD)完成SiC外延材料的制作；再采用刻蝕工藝制作臺面，實現晶圓芯片有源區與無源區的隔離。柵結構為T型柵，采用離子注入進行臺面隔離，形成有源區和布線區[3]。在外延材料上制作SiN絕緣層，柵金屬直接蒸發在絕緣層上；利用電子束光刻制作窗口，然后采用電子束蒸發工藝制作Ni/Au柵。為了減小表面態，材料表面采用了氧化工藝，最后通過橋連工藝得到總柵寬為3 mm的功率管芯[4]。

圖1 GaN HEMT橫截面

2 內匹配電路的設計與實現

2.1 功率放大器設計原理

功率放大器采用傳統的“T”型LCL低通濾波網絡外加Wilkinson功分/合成進行阻抗變換，并采用2只柵寬為3 mm的0.25 μm工藝的氮化鎵功率管進行合成。功率放大器的結構圖如圖2所示，結合ADS的阻抗牽引工具和提供的功率管模型對所選功率管進行阻抗分析[5]。

圖2 GaN功率放大器的結構

輸入輸出網絡中的功分器采用微帶結構，在實現阻抗變換的同時實現微波信號的功分輸入及功率合成輸出。Wilkinson阻抗變換網絡輸入輸出的阻抗變換比越小，該匹配網絡能夠覆蓋的頻帶越寬。設計的Wilkinson匹配網絡通過設計的調試點的調節，能夠在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三個頻段，實現從50 Ω變換到30 Ω的阻抗變換。介質基板選用氧化鋁陶瓷基板，介電常數為9.9，厚度為0.254 mm[6]。

匹配電路采用“T”型LCL低通濾波網絡將晶體管的輸入輸出阻抗轉換為實阻抗30 Ω。其中，L通過金絲鍵合引線來實現。鍵合引線電感在滿足電路匹配的同時，實現器件和微帶電路的電氣互連[7]。C采用單層陶瓷電容。晶體管的柵極和漏極上用“T”型枝節進行匹配。通過金絲鍵合引線和單層陶瓷電容的調節，使電路有更好的阻抗變換比和更強的適應性。仿真發現，通過金絲鍵合引線和單層陶瓷電容的調節，能夠在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三個頻段將管芯的負載阻抗和源阻抗匹配到30 Ω。直流偏置電路采用1/4波長線與扇形線或對地短路電容相結合的方法實現[8]。

2.2 CAD設計與仿真結果

電路結構、工藝確定后，利用ADS軟件設計電路原理圖進行仿真優化設計，得到電路各個元件的參考值。但原理圖仿真并未考慮版圖中器件之間的相互耦合，得到的元件值與實際存在差距。原理圖設計完成后，需要對無源部分電路進行版圖仿真及替換，以驗證電路設計的正確性[9]?？上葘⒐Ψ志W絡進行單獨版圖仿真，再和有源器件一起搭建仿真電路拓撲，仿真電路拓撲如圖3所示。

圖3 功率放大器仿真電路拓撲

圖3中，C1和C2為單層陶瓷電容，L1和L2為金絲電感，在版圖設計中添加了1/2兩排調試點。通過對C1、C2、L1、L2以及1/2的調節，最終的仿真結果分別如圖4、圖5和圖6所示。

仿真結果表明，功率放大器可以在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三個頻率范圍內飽和輸出功率≥20 W，附加效率≥60%，能夠達到預期指標。

圖4 4.4～5.0 GHz功率和附加效率的仿真結果

圖5 5.2～5.9 GHz功率和附加效率的仿真結果

圖6 6.0～6.6 GHz功率和附加效率的仿真結果

2.3 電路測試方法

利用成型的微波薄膜混合工藝進行功率放大器的裝配，功率管芯和單層陶瓷電容全部采用金錫燒結于管殼內。為確保鍵合線長度的精確和一致性，利用半自動鍵合臺對鍵合線的長度和弧度進行控制[10]。功放電路封裝后的實物照片如圖7所示。

圖7 功放實物

建立的微波功率測試系統框圖如圖8所示。被測器件的輸入功率通過耦合器進行實時監測，輸出信號經過大功率衰減器進入功率計[11]。

圖8 微波功率測試系統

3 微波性能測試

參照ADS的仿真結果以及變化趨勢，對C1、C2、L1、L2以及1/2進行調試。經測試，在柵壓為-2.3 V、漏壓為+28 V工作電壓且輸入功率統一為33 dBm的情況下，GaN功率放大器在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三個頻率范圍內的飽和輸出功率≥20 W，功率增益≥10 dB，附加效率≥60%，帶內功率平坦度<±0.3 dB，顯示出良好的性能，實現了功率放大器的可重構設計。3個頻段的功率和附加效率隨頻率的實測曲線分別如圖9、圖10和圖11所示。

圖9 4.4～5.0 GHz功率和附加效率的實測曲線

圖10 5.2～5.9 GHz功率和附加效率的實測曲線

圖11 6.0～6.6 GHz功率和附加效率的實測曲線

最后，對產品進行高低溫實驗。結溫測試、頻譜分析等穩定性和可靠性分析顯示，該功率放大器性能指標合格，并成功應用在某雷達功率發射組件上，且應用狀態良好。

4 結束語

本文從功率放大器的設計理論出發，使用ADS軟件進行了功率放大器的設計，測試結果與仿真結果基本一致，同一版圖在3個典型工程應用頻段內實現了較好的輸出功率和較高的功率附加效率。研制的寬帶、高效率功率放大器，提高了工作效率，減少了投板次數，縮短了研制周期，具備廣闊的工程應用前景。

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徐 濤 男，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：C波段GaN內匹配功率放大器、毫米波TR組件和毫米波電路與系統。

唐厚鷺 男，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：C波段GaN內匹配功率放大器、毫米波電路與系統。

C-band GaN HEMT Internally-matched Power Amplifier

XU Tao1,TANG Hou-lu1,WANG Zhao-bi1,CAO Huan-huan2

(1.InstituteofPhysicalElectronics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,ChengduSichuan610000,China;2.The13thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050051,China)

Based on the requirement of broadband and high efficiency of power amplifier,this paper presents the design process of a C-band GaN HEMT internally-matched power amplifier.The device is composed of two 3 mm gate width GaN HEMT dies and the input and output matching circuit on the Al2O3ceramic substrate.The design of power amplifier in the three typical engineering application frequency bands of 4.4～5.0 GHz,5.2～5.9 GHz and 6.0～6.6 GHz is realized by adjusting the bond wires and capacitances.In these typical engineering application frequency bands,the power amplifier output power is more than 43 dBm (20 W),the power added efficiency is greater than 60%,and the power gain is greater than 10 dB.It fully shows the work performance of the GaN power amplifier with wide bandwidth and high efficiency.

GaN;HEMT;broadband;high efficiency;power amplifier

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.14

徐 濤,唐厚鷺,王昭筆,等.C波段GaN HEMT內匹配功率放大器[J].無線電工程,2017,47(3):54-57.

2016-12-15

TN454

A

1003-3106(2017)03-0054-04