一種應用于2.2GHz的射頻功率放大器設計

趙弘毅 張丹 封維忠 王鑫鈺

摘 要：采用Cree公司提供的CGH40010F GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）作為有源器件，設計了一款工作在2.2 GHz的射頻功率放大器。利用ADS軟件對功率管的偏置電路進行設計的仿真，利用階躍式匹配方法擴展了帶寬，通過對功率管寄生參數的仿真，有效地提高了功率附加效率（PAE）。仿真結果表明，在2.1 GHz～2.3 GHz的頻率范圍內，小信號S21增益為12.03 dB～12.77 dB，大信號輸出功率為40.17 dBm，功率附加效率達到61.3%。達到設計指標的要求。

關鍵詞：功率放大器;GaN高電子遷移率晶體管;高效率;寄生參數仿真;階躍式匹配

Abstract：CGH40010F GaN high electron mobility transistor（HEMT） provided by Cree company is used as active device， and a RF power amplifier working at 2.2 GHz is designed. ADS software is used to design and simulate the bias circuit of power tube.The bandwidth is expanded by using the step matching method and the parasitic parameters of power tube are simulated to effectively improve the power added efficiency （PAE）. Simulation results show that in the frequency range of 2.1 GHz～2.3 GHz， the gain of small signal S21 is 12.03 dB～12.77 dB， the output power of large signal is 40.17 dBm， and the power added efficiency reaches 61.3% which meet the requirements of design indicators.

Key words：power amplifier; GaN high electron mobility transistor; high efficiency; parasitic parameter simulation; step matching method

射頻功率放大器是現代通信系統的核心部件，廣泛地運用于雷達、衛星通信及電子對抗中[1，2]。近些年來，隨著5G通信的發展，低能耗、高效率、高輸出功率、寬頻帶和小型化成為新一代無線通信收發系統的發展趨勢[3]。我國進入5G商用元年以來，頻譜資源日益緊張，這也觸發了人們對于高輸出功率、高效率的射頻功率放大器的需求[4，5]。

第三代半導體材料以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等材料為代表，其中GaN是一種具有較大禁帶寬度的新型材料[6]。和前兩代半導體材料相比，GaN材料的大禁帶寬度、高擊穿電場讓它在新時代微波器件的使用中有著得天獨厚的優勢。半導體的禁帶寬度與晶格原子之間的化學鍵強度有關，更強的化學鍵意味著電子很難從一個位置跳躍至下一個位置。所以，比起一、二代半導體材料如Si、GaAs等，GaN具有更低的本征泄漏電流和較高的工作溫度[7]。

基于氮化鎵材料制成的高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）是近年來射頻功放器件中最為常用的選擇。其中AlGaN間隔層中很大的禁帶寬度限制了電子的運動，形成了能夠從源極向漏極運動的高密度二維電子氣（2DEG）[8]。相比于其他類型的功率管，具有高功率密度、高效率、寬帶等優點，因此廣泛應用于軍用、民用無線通信系統中[9]。

針對無線收發系統中高效率、大功率的要求，采用Cree公司提供的GaN HEMT功率晶體管CGH40010F， 設計了一款工作在S波段，帶寬可達200 MHz的射頻功率放大器。主要進行了靜態工作點及偏置的仿真、穩定性系數的檢測，搭建晶體管寄生參數仿真模型并利用ADS對晶體管進行負載/源牽引技術，最終得到可以實現高效率的最優負載阻抗與源阻抗，通過階躍式匹配進行電路設計。總體目標為：放大器工作在2.2 GHz頻段，輸出功率不小于10 W（40 dBm），功率附加效率（PAE）大于60%，小信號增益大于10 dB。

1 基板選擇

由于放大器偏置與匹配電路的設計中使用了微帶線結構，而微帶線的性能與基板厚度、相對介電常數、損耗角正切等因素有關，故綜合考慮各項因素，采用Rogers 4350B高頻板作為介質基板，其參數如表1所示。

2 放大電路設計

2.1 靜態工作點的選取

射頻功率放大器中靜態工作點的選取決定了功率管的工作狀態，不同的工作點使得功放具有不同的特性，因此選擇合適的工作點成為設計功放電路的關鍵一環。根據如圖1（a）所示的I-V曲線以及圖1（b）所示的晶體管輸出特性曲線，選取漏極電壓VDS=28 V，柵極電壓VGS=-2.7 V作為直流偏置點。

2.2 偏置電路的設計與穩定性檢測

偏置電路設計的好壞影響著整個電路的穩定性，為了防止功率反射回入射端，造成功放電路出現振蕩現象，一般會采用λ/4長度的微帶線將電路的直流部分和射頻部分進行隔離[10]，根據式（1），此時從信號源輸入端向直流電源看去，輸出阻抗為無窮大，從而讓射頻信號與直流信號互不干預。

柵極偏置電路如圖2（a）所示，仿真結果如圖2（b）所示：在2.1 GHz～2.3 GHz頻段內，S21十分接近0，S31均小于-50 dB，表明在柵極偏置電路中，直流信號幾乎無泄露，且與射頻輸入信號隔離度較好，符合偏置設計的要求。

2.3 含寄生參數的晶體管建模仿真

由于本文使用的CGH40010F GaN HEMT屬于非線性有源器件，隨著晶體管工作頻率的增加，晶體管的寄生參數引起的諧波效應會大大惡化輸出功率及附加效率。在S波段，晶體管寄生參數主要由漏極輸出電容Cds、寄生電感Ld和封裝引入的外部寄生電容Cp構成，因此本文建立了如圖5所示的晶體管模型。

使用負載、源牽引技術求得晶體管在2.2 GHz的工作頻率下最佳負載、源阻抗如表2所示。

2.4 匹配電路的設計

匹配電路的設計直接影響放大器的工作特性，常見的匹配方式有分布式、多枝節匹配、階躍式匹配等方式[11]。其中多枝節匹配與階躍式匹配的原理相同，都是通過降低Q值達到擴展帶寬的目的。但相較于階躍式匹配，多枝節匹配缺點是增加版圖面積，各枝節電磁耦合嚴重，在實際應用中往往不可忽視。

階躍式匹配是將多端微帶線串聯，進行路徑優化，盡可能降低電路Q值從而達到寬帶匹配的目的的一種匹配方案。以輸出匹配為例，將Term1端口匹配至Term2端口，為了實現最大功率傳輸，則1端口的阻抗為最佳負載阻抗的共軛，即（10.603-j14.062） Ω。使用傳統多枝節阻抗匹配方法如圖6（a）所示，史密斯圓圖中與直徑兩端相連的弧線為等品質因數弧線，Q值為1.8。使用階躍式匹配方法如圖6（b）所示，Q值為1.3，既降低了Q值拓展了帶寬，又有效地縮小電路板的面積，符合設計要求。

2.5 射頻功率放大器整體設計

將電路的偏置部分與含有寄生參數的晶體管模型搭建好，在輸入輸出端分別采用階躍式阻抗匹配方法，得到如圖7所示的整體拓撲結構。

功放整體仿真結果如圖8-10所示，在2.1 GHz～2.3 GHz頻段內，回波損耗均小于11 dB，表明反射回輸入端的功率很小，達到一般設計所要求小于-10 dB的標準。功率增益范圍在12.025 dB～12.765 dB之間，輸入功率為30 dBm時，輸出功率超過40.167 dBm，功率附加效率達到61.3%。

3 結 論

采用CGH40010F晶體管設計了一款適用于2.2 GHz的功率放大器，采用階躍式匹配方法，對含寄生參數模型的晶體管電路進行了小信號及大信號的仿真。在200 MHz的帶寬內輸出功率大于于10 W，功率附加效率大于60%，小信號增益大于10 dB，達到了設計初的目標，符合當今5G無線通信系統的要求。

參考文獻

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