20～1 000 MHz 100 W GaN寬帶功率放大器研制

侯 鈞 ，方建新 ，黃 亮 ，蔣 超

（1.成都四威功率電子科技有限公司四川成都611730；2.西南電子設備研究所四川成都610036）

功率放大器是通信系統發射鏈路中的重要組成部分。目前很多軍、民用電臺，廣播電視等發射系統都工作在20～1 000 MHz頻段。隨著寬帶通信、干擾和測試系統的發展，對能覆蓋整個頻段的功率放大器需求非常迫切。20～1 000 MHz有近6個倍頻層，受制于Bode-Fano準則，在如此寬的頻段內進行匹配會面臨極大挑戰。微帶線和電容電感相結合的方式適用于高頻[1-3]，若需兼顧低頻，輸出功率往往難以大于10 W[4]。單純運用傳輸線變壓器（transmission line transformer，TLT）也不能達到需要的帶寬[5-8]，因此，解決20～1 000 MHz頻段寬帶功率放大器的研制問題具有重要的應用價值。

1 TLT及磁芯的應用

TLT具有寬的帶寬、低的損耗、高的功率容量等特性，可用于匹配和合成，得到了廣泛的應用。

1.1 TLT原理

TLT基于是同軸線互聯、互相耦合的變壓器，它的線間電容非常小，能夠在很寬的頻帶進行變換。理論上它的可實現性只有“傳輸比的平方根必須是有理數”這一個限制。最常用在匹配電路的傳輸比是4:1，其原理見圖1。

圖1 4:1 TLT原理圖

利用同軸線內外導體電流大小相同、方向相反的特性，可以由以下方程組進行分析：

其中V1、I1分別為源的電壓和電流；V2、I2分別為同軸線變換后的電壓和電流；Z、l分為同軸線的特征阻抗和線長；RS、RL分別為源和負載的阻抗。

最佳匹配的條件如下：

因此，用特征阻抗25 Ω的同軸線組成4:1網絡，可將50 Ω阻抗無耗地變換為12.5 Ω。

實際使用TLT時會面臨漏電流、寄生電容、接頭處的不連續等各種影響，目前還是采取仿真、等效計算和實測擬合相結合的設計方式[9]，在寬帶應用時需要解決上述問題。

1.2 磁芯的作用

鐵氧體磁芯可以拓展TLT的頻率低端，減小或消除帶內的諧振尖峰。同時會帶來頻率高端的惡化。

頻率低端可由公式：

進行計算。

頻率高端主要考慮磁芯帶來的損耗。在大功率應用下，射頻功率的傳輸如下式：

其中PMAX為輸入帶磁芯TLT的射頻總功率，Pu為TLT傳給負載的資用功率，L0為同軸線的長度，f為工作頻率，Q為磁芯品質因素。為并聯復數磁導率，等式右邊的第二項為磁芯的損耗功率，第三項為反射功率。

2 寬帶功率放大器設計

本文選用了CREE公司的GaN HEMT晶體管CGH40180PP進行設計。其最高工作頻率可達2.5 GHz，輸出功率大于180 W。

GaN被稱為第三代半導體材料，具有寬禁帶和高擊穿場強的特性。隨著其材料與工藝的成熟，GaN HEMT的可靠性不斷提高[10]，已經逐漸在軍民用領域得到認可[11-12]。GaN的材料特性與GaAs、Si的比較[13]如表1所示。

表1 GaN材料與GaAs、Si材料的比較

寬帶功放的設計的核心是寬帶匹配。有3個必須注意的關鍵步驟：

1）設法得到被匹配晶體管的大信號阻抗參數；

2）針對目標阻抗參數進行共軛匹配；

3）針對穩定性、平坦度、輸入駐波等指標對電路進行調整。

2.1 得到大信號阻抗參數

文中采用計算機仿真LoadPull來得到功率管的阻抗。圖2為1 GHz處的LoadPull仿真圖。全頻段的阻抗參數見表2。

圖2 1 GHz處的LoadPull結果

表2 20 MHz～1 GHz的阻抗仿真結果

2.2 設計匹配電路

從表2可以看到，功率管的輸出阻抗在整個頻段內變化較大。要求匹配網絡的阻抗也隨頻率變化且與之共軛。可通過電容和TLT的等效電感形成π型網絡來滿足整個頻段內的匹配。

CGH40180PP的低端阻抗為13 Ω左右，可用4:1的TLT網絡將50 Ω變換為12.5 Ω。同時添加合適的磁芯以覆蓋20 MHz。按照1.2節中的計算方法，選擇了相對磁導率250的磁芯，并計算出同軸線的磁化等效電感，將其加入仿真模型中，仿真電路及結果如圖3和圖4所示。

圖3 加載磁芯和電容后的4:1 TLT

圖4 TLT的反射參數S22

2.3 優化電路特性

在小信號仿真器下調整整個電路的輸入駐波、增益平坦度、穩定性因子。CGH40180PP在頻率低端增益非常高，且不穩定，因此在其柵、漏間加入RC串聯負反饋，在整個電路輸入端添加RC并聯有耗網絡，顯著改善功率放大器的穩定性，同時優化電路的駐波和增益平坦度。仿真結果見圖5。

圖5 添加穩定網絡前后

小信號仿真完成后，用大信號仿真器來計算功率放大器的1 dB壓縮點，針對輸出匹配網絡做一些調整。當輸出功率達到要求后，整個電路的增益會有一些變化，需再對輸入匹配電路進行微調。

圖6 整個功率放大器的仿真電路圖

整個功率放大器的仿真電路見圖6，輸入輸出匹配電路均使用的鐵氧體磁芯加載的等效TLT模型。仿真結果見圖7和圖8，所有頻點輸出功率均大于100 W（50 dBm）。

圖7 全頻帶掃頻輸出功率仿真結果

圖8 固定輸入39 dBm時的輸出功率仿真結果

圖9 20～1 000 MHz 100 W功率放大器實物圖

圖10 20～1 000 MHz功率放大器測試結果

表3 同類產品比較

功率放大器的實物圖見圖9。仿真的結果能夠指導設計與調試的方向，由于晶體管、TLT和鐵氧體磁芯的模型與現實有差別，實際工作中調試仍然占到一部分工作量。

最后測試結果如圖10所示，功率放大器在20～1 000 MHz帶寬內輸出功率大于50.3 dBm（107.2 W），增益大于11.3 dB，漏極效率大于34.5%，達到了設計目標。與同類產品的比較見表3，可見成功在5個倍頻程以上達到了50.3 dBm以上的輸出功率[16-19]。

3 結 論

本文簡要介紹了如何將鐵氧體磁芯與TLT相結合并應用在寬帶功率放大器的匹配電路中，在此基礎上進行了20～1 000 MHz 100 W GaN寬帶功率放大器的仿真及實物設計，測試結果滿足了設計指標，成功將百瓦量級功率放大器的帶寬拓展到5個倍頻程以上，解決了此頻段的實際應用需求。后續將結合實測結果和仿真數據，修改對應仿真模型，提高仿真的準確度，在此基礎上進一步提高此頻段功率放大器的效率、增益等關鍵指標。

參考文獻：

文中的三階段博弈是基于古諾模型建立的，續航里程研發量不影響反市場需求函數，是隱含條件，但是在實踐中，有些汽車品類的續航研發量會對消費者需求產生一定的影響，這類問題還需在下一階段進行深入研究；另外本文僅研究兩個新能源汽車企業開展聯合研發的情況，更加復雜的市場網絡在新政策下的研發動向也是值得繼續研究的方向。

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