高電子遷移率晶體管功率放大器的設計

文/徐浩然

在功率放大器中，功率晶體管是最重要的組成部件，其中GaN材料因其具備高擊穿場強，并且在強場下擁有極高的電子飽和漂移速度的優點，被廣泛的應用于高頻、高溫和高功率領域。在GaN材料中，GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）器件是應用在高頻、高壓、高溫以及大功率方面的首選。本文以GaN基高電子遷移率晶體管為材料，設計了一款寬帶平衡功率放大器。

1 GaN HEMT寬帶平衡功率放大器設計

1.1 平衡功率放大器

平衡放大器由兩個微波管和兩個三分貝電橋組成，工作頻率范圍約為倍頻程左右。主要優點是駐波與輸入/輸出之比良好，噪聲系數良好，輸出功率比單管放大器高3dB，動態范圍倍增，三階交流電的調制因子提高了6dB。

本文開發的平衡功率放大器的電路結構如圖1所示。它由兩個獨立的放大器組成，這些放大器使用Lange耦合器分別分配和合成輸入和輸出功率。Lange耦合器本身具有90°的相移，平衡的結構不需要額外的相移元件。

在平衡放大器的輸入端，由于放大器的兩個獨立輸入端反射的信號相位相差180度，并且反射信號相抵消，因此理想情況下穩態系數等于到放大器平衡輸入端的單元。平衡放大器的輸出也是如此。從平衡放大器的輸入到輸出，入射信號交叉相等的距離，并且在輸出端合成功率。

1.2 寬帶匹配

圖1：S波段平衡功率放大器電路原理圖

為了獲得寬帶匹配，采用了多節點匹配。I/O一致性網絡使用具有多個節點的LCL +微帶一致性方法，并且輸入阻抗較低。在配對過程中，首先將LCL的中間值調整為12歐姆，然后使用兩條微帶線將其調整為50歐姆。

在具有相對介電常數為9.8且厚度為15密耳的氧化鋁陶瓷基板上制作相應的微帶線，并且金層的厚度為3μm。直徑為25微米的金線用于電氣連接，有助于調整電路的阻抗。

1.3 耦合器

Lange耦合器易于使用3dB分離器實現，并且具有倍頻程帶寬或更寬。本文使用四線Lange耦合器。根據1.2節的分析，在功率放大器的輸入端使用特性阻抗為50歐姆的Lange作為功率分配器，在功率放大器的輸入端使用特性阻抗為30歐姆的Lange作為合成器。功率放大器的輸出。

在鋁陶瓷基板上實現了電壓為3dB，特性阻抗為50歐姆（εr= 9.8）的4線制法蘭：

其中Zoo、Zoe分別為微帶線的奇、偶模阻抗，Zo為特征阻抗，K為微帶線數。

從C=0.7079，Zo=50， 我 們 知 道R=0.279786，Zoo=5254，Zoe=176.39歐姆。

根據Zoo和Zoe的說法，微帶線的尺寸趨勢是根據介電常數計算的，S/h=0.07，W/h=0.1。氧化鋁陶瓷基板的厚度h=381μm，微帶間距S=26.67μm，微帶寬度W=38.1μm。微帶線的長度：7.73mm。

使用ADS2009Lange模型對仿真進行了優化，最終優化參數為S=28μm，W=32μm，L=9mm。具有30歐姆特征電阻的優化曲線參數：S=22μm，W=136μm，L=8.8mm。當分離器的耦合度從3dB的理想值變為1.5dB時，平衡放大器的能量特性不會顯著變化。為了達到所需的帶寬，我們采用了一種適應性強的冗余通信方案，即2.4dB的通信度。

1.4 偏置電路

在低頻下，通常使用RF電感器。在較高的微波頻帶中，分布參數的成分通常用作射頻電感，例如常用的1/4波長傳輸線。一條1/4波長的線使用一個并聯電容器來達到RF質量。C1和C4為100pF，C2和C5為100μF電解電容器，C3和C6為直通電容器。低頻功率放大器的單元穩定性系數K<1。功率放大器容易在低頻下振蕩并抑制振動。最好的方法是進入并獲得穩定的阻力。由于線路阻抗的四分之一波長帶寬特性，穩定的電阻在低頻范圍內有效。接地與輸入放大器的晶體集成在一起，以消除負輸入電阻，以確保功率放大器的穩定運行和穩定的工作頻率范圍。

1.5 電路熱設計仿真

放大器芯和陶瓷基板（匹配電路）在380℃的刀片上涂有AuSn焊料。基材由AlSiC合金制成，表面鍍有金以提高導電性。通過調整的比例，如果和C調節襯底的熱膨脹系數，它是接近核心基板的熱膨脹系數，損壞的概率，從而降低電路由于膨脹系數的差異時，核心是燒結和放大器是有效的。

2 電路測試與結果分析

2.1 10W功率放大器測試

偏置條件：當輸入信號為3.1GHz的脈沖調制信號（脈沖寬度300μs，占空比10%），線性增益時，VDS=28V，IDS=110mA放大器的功率超過12dB，輸出端的峰值飽和功率為39.4dBm（8.7W）。PAE為48%。

在1.5至3.5GHz范圍內，該放大器的飽和輸出功率為39至41dBm（8至12W），漏極效率為56至65%。

GaN HEMT的擊穿電壓很高。如果正確設置電源電壓并增加泄漏電壓，則可以增加管道的輸出功率。如果漏極偏置電壓增加2V，則放大器的飽和輸出將增加約0.5dB。測試結果與最近發布的寬帶高性能功率放大器的功能進行了比較。比較結果表明，該放大器具有一些優良的特性，并測試了該設計方法的可行性。

2.2 30W功率放大器測試

偏置條件：VDS=28V，IDS=250mA。當輸入信號在1.5至3.5Hz范圍內為38dBm時，功率放大器將輸出功率飽和在43，6-46dBm，增益平坦度小于3dB。廢水的效率在30%至65%之間。相應的PAE在25%到58%之間，相對于2.3GHz中心頻率的相對帶寬為110%。在低頻范圍（<2.0GHz）中，放大器的輸出功率和效率會大大降低。這是因為計算出的負載阻抗匹配頻率為3GHz，而在低頻下，負載的阻抗會偏離最佳阻抗。

1GHz，1.5GHz，2GHz，2.5GHz，3GHz，3.5GHz時放大器的增益和PAE隨輸入功率而變化，而1GHz和25GHz是最小增益和最大PAE。當VDS=35V時，輸出功率達到46.8dBm，動態系數為8.6dB，放大器的漏極效率超過60%，這表明可以更好地控制放大器的功率。通過調節放大器的漏極電壓來輸出放大器的輸出功率，而導致漏極效率明顯降低。另外，隨著漏極電壓顯著降低，AM和PAE的非線性度降低，從而限制了放大器的動態調制范圍。

測試結果與最新發布的寬帶高效功率放大器性能進行了比較，比較結果表明，該放大器的性能達到了相同的水平，驗證了該設計方法的可行性。

3 結語

本文設計了一款寬帶平衡功率放大器，由于較好的功率密度和較高的擊穿電壓，GaN基HEMT被選為電路的功率管。實驗測試結果與設計仿真結果有較好一致性，功放性能與近期發表的寬帶、高效率功放對比，具有一定的優越性，驗證了設計方法的正確性。