一種塔臺用高壓寬脈沖GaN功放設計與實現

蒙燕強

摘要：本文根據塔臺用高壓寬脈沖功放工作的特點，提出了一種高壓寬脈沖功放的設計方法并設計了一款L波段高壓寬脈沖GaN功率放大器。采用金屬陶瓷管殼和PCB匹配電路相結合的方式，相較于傳統的陶瓷匹配電路，有效的減少了趨附效應的影響。放大器在脈寬為10ms、占空比為30%脈沖調制信號輸入，Vds=48V時，峰值輸出功率>200W，功率增益為15dB，功率附加效率可達67%。

關鍵詞：GaN功放；高壓寬脈沖；預匹配

中圖分類號：TN722.75 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0183-02

近年來我國民航業發展速度十分迅猛，國際民航組織關于新航行系統的實施以及空管現代化進程的加快，對空管設備的要求越來越高。作為制造下一代微波功率器件的材料，GaN 材料具有先天的優勢，可以很好地滿足高溫、高頻以及大功率器件的性能要求，在新一代塔臺管制設備中有著廣泛的應用前景，是當前半導體技術最重要的發展前沿之一。隨著技術的進步，GaN功率管正向48V甚至更高工作電壓更高輸出功率的方向發展。對寬脈沖甚至連續波的功放研制提出了更高的要求，寬脈沖功放相較于其它功放有以下特點：

GaN器件在高壓工作下輸出功率密度高，由于脈沖寬度，占空比的不一樣，同樣會引起GaN管芯功率電特性的差異，這是因為不同脈沖寬度和占空比下器件自熱效應導致的瞬態溫升即瞬態熱阻也將發生變化。脈寬越寬占空比越大，熱阻越大，器件的結溫也就越高[1]。為了保證功率管的正常工作，對管芯的散熱提出了更高的要求。

GaN功率管在高壓寬脈沖條件下工作，對偏置電路上的儲能電容提出了更高的要求，儲能電容過大會增加器件成本和電路的體積，電容過小會使電源瞬時驅動能力不足，造成脈內功率頂降過大，甚至不能工作。

GaN功率管在高壓寬脈沖條件下工作，輸出功率較高，在低頻段工作時，導體損耗的影響較大，為了減少電路的損耗，必須合理選擇匹配電路的形式。

為了解決以上問題，本文提出了一種大功率寬脈沖功放的設計方法，并利用該方法研制了一款L波段200W高壓寬脈沖功放，驗證了設計方法的正確性。

1 寬脈沖GaN功率管電路的設計與實現

1.1 GaN管芯裝配與散熱設計

GaN器件在高壓工作下輸出功率密度可達6-8W/mm，實際工作中脈寬越寬占空比越大，熱阻越大，器件的結溫也就越高，為了保證功率管的正常工作，必須考慮管芯的散熱問題，GaN功率管芯采用燒結工藝裝配在管殼里，有效減少管芯到管殼的熱阻，管殼材料要具有很高的熱導率，這樣有利于管芯產生熱量的迅速擴散，防止管芯因為工作結溫過高而燒毀。現在國際流行的材料是Cu-Mo-Cu實現的多層金屬材料，該材料可以同時滿足熱膨脹和高導熱率的要求，是GaN 功率管芯的管殼材料最佳選擇。管殼裝配在載體上時在底部涂導熱脂來提高整個管殼的散熱效率。

1.2 儲能電容的計算

儲能電容的大小不僅與脈內電流大小有關，還與脈沖寬度和工作電壓及脈內頂降有關。假設電路輸入的功率為P，儲能電容為C，其兩端電壓為U，則電容存儲的能量為W=0.5*C*U2，電路脈沖寬度為τ，脈內上升和下降沿對應電壓分別為U1和U2，則有：P*τ=W1- W2=0.5*C*（U12-U22）。

儲能電容C=2×P×τ/（ U12- U22），脈沖寬帶為10ms，脈內頂降（2ms）0.3dB時對應電壓為45V左右，電路效率按照60%計算，輸出功率為200W時，所需儲能電容為：C=4700uF。

1.3 GaN匹配電路的設計與實現

為了減少的電路導體損耗的影響，采用金屬陶瓷管殼和PCB匹配電路相結合的方式，將管芯封裝在管殼內，通過將匹配電路設計在PCB電路板上的方式增加電路中導體的厚度，從而避免了傳統陶瓷基片匹配導體較薄的缺點，能有效克服電路中導體損耗的影響。為了提高GaN器件的輸出功率，可以采用提高器件漏極電壓或者提高器件總柵寬的方法，前者要求器件有較高的耐擊穿電壓，后者增加器件總柵寬使得管芯輸入、輸出阻抗變得很低，引入線以及管殼寄生參數對性能的影響很大，以至直接采用管殼外的匹配方法無法得到大的功率輸出甚至無法工作。解決方法是在管殼內引入內匹配電路，一方面把引線管殼的寄生參數等效為匹配電路元件參數的一部分，消除它的有害影響；另一方面也使管芯的低阻抗與外電路的阻抗匹配，使大功率輸出得以實現。

封裝到管殼內的管芯，輸入端采用L_C_L的匹配方式來提高器件的輸入阻抗，減少外接匹配電路的難度。輸出端電流較大，為了減少金絲引入電流損耗，直接將管芯通過金絲鍵合鍵合到管殼上。匹配電路見圖1。

功率管工作頻率為：960MHz-1250MHz，考慮到功率管的相對工作帶寬超過了30%，相對工作帶寬較寬，外部匹配電路采用多階高低阻抗線變換實現。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，但是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是有差距的，原理圖設計完成后，需要對無源部分電路進行電磁場仿真以驗證電路設計的正確性。

電路仿真采用提取的功率管模型，電路中的管殼，鍵合金絲和單層電容等無源器件及電路板采用電磁場仿真來提高仿真準確度，電路的最終結構如圖2所示，電路的仿真結果見圖3，從仿真結果看，整個工作頻帶內電路的輸出功率大于230W，附加效率在70%以上。

匹配電路輸入輸出PCB板制作在介電常數為10.2、厚度為25mil的電路板上，這樣可以有效的減少PCB電路板的面積；匹配電路上導體厚度大于50um，可以有效減少電路導體損耗的影響。

管殼內輸入匹配電容制作在陶瓷基片上；匹配電路中的電感采用高Q的金絲來替代。圖4為功率管內電路照片。

2 寬脈沖功放的測試

根據前面設計的預匹配電路結構， 制作完成的實際的帶預匹配的GaN器件如圖5所示。圖中器件左側為輸入端， 右側為輸出端， 底座為銅-鉬銅法蘭。文中在理論分析和EDA仿真的基礎上，進一步設計和調試了該功放。搭建微波大功率測試系統。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。測試結果見圖5，經測試，Vds=48V時，脈寬10ms，占空比30%，輸入功率為39dBm，脈沖峰值輸出功率（0.96～1.25GHz）為53.3～53.7dBm，功率附加效率可達67%，實測與仿真結果基本一致。

3 結語

本文提出了一種航管塔臺用高壓寬脈沖功放的設計方法，根據高壓寬脈沖條件下功放的工作特點，合理的選擇功率管芯的散熱方式，并采用一種簡單計算功放所需儲能電容的方法，合理的選擇電路的儲能電容，采用金屬陶瓷管殼和PCB匹配電路相結合的方式增加電路中導體的厚度，有效減少電路導體損耗的影響，成功研制了一款L波段高壓寬脈沖的功放，實測表明在柵壓Vds=48V，脈寬10ms，占空比30%條件下測試，功放脈沖峰值輸出功率大于200W，功率附加效率可達67%，從而驗證了該設計方法的正確性。

參考文獻

[1]任春江，陳堂盛，等.GaN HEMT的溫度特性及其應用，固體電子學研究與進展，2008（3）：227-232.

[2]E. Mitani， M. Aojima， S. Sano. A kW-class AlGaN/GaNHEMT Pallet Amplifier for S-band High PowerApplication[J]. Proc. 2nd European Microwave Integrated Circuits Conf，2007：176-179.

[3]Andrei Grebennikov.射頻與微波功率放大器設計[M].張玉興，趙宏飛，譯.北京：電子工業出版社，2006.

[4]樊偉.趨膚效應的理論研究與解析計算[J].重慶工貿職業技術學院學報，2014（36）：56-58.