2 GHz～6 GHz寬帶功率放大器的研究

摘? 要：著眼小型化、大功率，對寬禁帶半導體中的GaN功率器件的寬帶內匹配技術進行了研究。基于國產的GaN功率器件，采用切比雪夫寬帶匹配理論，研制了一款工作頻率覆蓋2 GHz～6 GHz的寬帶功率放大器，在設計過程中重點關注了功率放大器在各種工作條件下的穩定性。測試結果表明在漏源電壓為36 V，連續波條件下，在2 GHz～6 GHz的帶寬內實現了輸出功率全部大于100 W，功率平坦度小于1.0 dB，功率附加效率大于38%，最高點達到了45%。

關鍵詞：寬帶;功率放大器;半導體;GaN

中圖分類號：TN722? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）01-0060-03

Abstract： Focusing on miniaturization and high power， the broadband internal matching technology of GaN power devices in wide bandgap semiconductors is studied. Based on domestic GaN power devices and using Chebyshev broadband matching theory， a broadband power amplifier with working frequency covering 2 GHz～6 GHz is developed. In the design process， we focus on the stability of the power amplifier under various working conditions. The test results show that under the condition of 36 V drain source voltage and continuous wave， it realizes that the output power are all more than 100 W， the power flatness is less than 1.0 dB， the power additional efficiency is more than 38% and the highest point reaches 45% in the bandwidth of 2 GHz～6 GHz.

Keywords： broadband; power amplifier; semiconductor; GaN

0? 引? 言

隨著無線通信技術的高速發展，多種通信標準和多種工作模式的通信系統應運而生，這給人們的生活與工作等方面帶來了極大的便捷，其高速發展的一個結果是導致了用戶數量的快速增長和寬帶通訊業務的迅猛發展與大量開展，這使得原來的可用的通訊頻段變得越來越擁擠，舊的帶寬滿足不了今后的要求，這就需要拓展新的頻帶來滿足上述要求。同時為了減少體積和節約硬件成本，對寬帶的通信系統產生了大量的需求，這對系統中關鍵部件之一的寬帶功率放大器的需求，得到了進一步的提高。

對于內匹配的功率放大器的設計而言，重點就是阻抗匹配，合適的阻抗匹配網絡可以實現通帶內最佳的功率傳遞。通常在阻抗匹配中，匹配電路所能達到的匹配僅限于在一定的頻率附近能達到的較好匹配即匹配帶寬較窄。如果工作頻率發生了變化，微波晶體管的輸入與輸出阻抗都會發生相應的變化，頻率變化較多時可能變化很大。所以要想保持在較寬的工作頻帶內具有良好的共軛匹配，就要采用較為有效的寬帶匹配的電路。其次，隨著工作頻率的逐漸變高，功率放大器設計中的核心器件晶體管的增益會有一定程度的下降通常為6dB/倍頻程，所以在設計工作帶寬較寬特別是超過倍頻程的功率放大器的過程中，為了要達到整個工作帶寬內較為平坦的增益曲線，就需要適當地降低頻率低端部分的增益。所以 寬帶的阻抗匹配電路設計是寬帶功率放大器設計的難點與重點。另外，穩定性是功率放大器設計中最重要的指標之一，穩定的功率放大器可以滿足整個系統的正常工作，而不穩定的功率放大器會造成系統工作的不穩定，嚴重的情況下可能還會燒毀系統中的重要設備，使得整個系統不能工作，造成嚴重的損失。所以對功率放大器的研究與設計中，最先考慮的就是功率放大器的穩定性問題。

GaN材料作為第三代半導體典型的代表，具有很多優異的特性，如禁帶寬度寬、擊穿場強高、熱傳導率高、峰值電子漂移速度高，最重要的優勢是其最佳阻抗隨頻率的變化較慢，所以比較容易制作寬帶功率放大器[1-5]。

1? 仿真與設計

1.1? 功率放大器的預匹配設計

根據負載牽引仿真結果，在柵源電壓-2.5 V，漏源電壓36 V的條件下，在頻率2 GHz時，單個功率芯片最佳效率輸出阻抗為Zout=6.15+8.89j。在頻率6 GHz時，單個功率芯片最佳效率輸出阻抗為Zout=3.78+5.74j。由此可見，GaN管芯的阻抗隨頻率變化較慢，所以，較為適合制作寬帶的功率放大器，為此，先用T型網絡，將阻抗值提升為5歐姆，并且通過匹配電路去掉其虛部，使得阻抗成為實阻抗，便于后邊功率合成。電路原理圖如圖1所示。

1.2? 寬帶匹配電路的實現

設計功率放大器就是要將晶體管的最佳輸入輸出阻抗匹配到系統要求的阻抗。并保證功率放大器穩定的工作。輸入端的阻抗匹配主要影響功率放大器的輸入駐波比，穩定性，增益以及增益平坦度等。而輸出匹配電路的重點是對輸出功率和功率附加效率進行匹配。設計帶寬較寬的功率放大器，最重要的是對寬帶匹配電路進行詳細而全面的分析與設計，并采用合適的工藝路線實現電路。

采用威爾金森功分器，進行功率合成，同時將阻抗變換至50歐姆。由式（1）微帶傳輸線理論的基本關系式進行推導：

其中Z0為傳輸線特性阻抗;Zl為傳輸線負載端阻抗;l為傳輸線長度。β=2π/λ，其中λ為波長。以中心頻點f0分析，并取l=λ/4，則單路經過特性阻抗為Z01的λ/4傳輸線后阻抗變為，進而兩路直接合成后阻抗為：Z=Zl/2。式中：Z為最終輸出阻抗50 Ω，Zl為預匹配后的阻抗，Z01為λ/4變換線的阻抗。通過計算可以得出以上需要的各參數。電路原理圖如圖2所示。

以上分析只是窄帶或者點頻的一個匹配過程，要實現寬帶電路，還必須進行寬帶匹配電路的設計。要擴展匹配電路的帶寬，一個有效的途徑是增加匹配電路的階數。考慮N階1/4波長（在中心頻率電長度為90°）支節把Zl寬帶匹配到Z0。根據最小反射理論，總的輸入反射系數滿足：

為了拓寬帶寬，我們需要增加匹配電路的階數，用上述式（4）計算出的結果，繼續帶入后面的第二階匹配電路進行計算。然后循環帶入計算，并將阻抗轉換為對應的發射系數。由此可以看出，不同的Zi值的組合特性，就會得到各種不同的匹配性能。為了在要求的工作頻帶內增益滿足平坦度要求，采用切比雪夫寬帶匹配，此理論的中心思想就是合理設計取得的各個Zi后反射系數公式，讓其盡量滿足切比雪夫多項式的形式。在確定了通帶里最大的發射系數波紋Tmax和支節數N后得出的發射系數公式為：

接著對應cos（n，Φ），n=2i或2i+1項系數相等的方法求出Γi，最后通過公式遞推就可以計算出具體的Zi值，經過以上工作，就完成了一個寬帶切比雪夫的匹配設計。得到初值后，用仿真軟件進行仿真設計，結果如圖3所示。

1.3? 寬帶匹配電路隔離的實現

在平面合成時，由于兩路放大電路不可能做到完全一致，造成支路之間會有一定的反射，同時由于GaN管芯的增益比較高，如果兩路間的隔離不好，容易引起自激，所以必須考慮兩路之間的隔離設計。類似于Wilkinson功分器，在單路λ/4線之后加入一合適的隔離電阻。這樣可以有效地增加支路之間的隔離度。經過仿真以及實驗驗證，最后確定輸入端的隔離電阻分別為100歐姆和60歐姆。增加了隔離電阻的電路原理圖如圖4所示。

將增加了隔離電阻的功分器帶入軟件進行仿真，得到各端口間的隔離度均大于10 dB。

1.4? 寬帶功率放大器的穩定性

穩定性是功率放大器最重要的指標之一，如果輕微的擾動就會使功率放大器產生自激震蕩輕則造成系統無法工作，重則會燒毀系統。造成不可估量的損失。

為此，在設計功率放大器的時候，重點關注了穩定性指標，下圖為功率放大器仿真的穩定性系數。可以看到在0 GHz～ 10 GHz的范圍內，Mu值和穩定性因子均大于1。

通過以上理論分析及仿真，匹配電路中的電感采用精確控制照片長度的鍵合金絲來替代。

2? 性能測試

2.1? 電性能測試結果

利用微波功率測試系統，對設計完成的2 GHz～6 GHz寬帶GaN內匹配功率放大器進行微波功率性能的測量。測試夾具輸入和輸出端的阻抗均為50歐姆，可以和儀器實現很好的阻抗連接。偏置條件設定為漏源電壓為36 V，柵源電壓為-2.5 V。連續波條件下測試，在2 GHz～6 GHz的頻帶內，輸出功率全部大于100 W，功率平坦度為1.0 dB，功率附加效率大于38%，最高點達到了45%。功率放大器正面照片及測試曲線如圖5、圖6所示。

2.2? 穩定性測試

功率放大器的穩定性是很重要的一個指標，功率放大器不穩定的原因很多，最終都是因為輸出信號反饋到功率放大器的輸入端，從而形成了正反饋。這種反饋可以通過電源端，也可以通過信號通路或者晶體管的內部寄生形成。設計功率放大器的時候要阻斷這種反饋，防止功率放大器發生自激。所以對功率放大器的測試及評估中，穩定性的測試評估是重點工作之一。通常是對功率放大器進行穩定性測試與分析，了解功放穩定工作的條件，這對后續功率放大器的使用顯得十分有必要。

搭建好如下測試系統，對功率放大器的輸入和輸出端口分別進行失配測試，用于評估功率放大器的穩定性。

分別對功率放大器的輸入端口和輸出端口進行失配測試，并組合功率回退與漏壓的變化。最終得到的測試結果為在漏壓28 V～42 V的范圍內，輸入輸出端口失配到5：1，功率放大器均不會自激。測試結果表明，功率放大器的穩定性滿足使用要求。

3? 結? 論

現代無線通信系統的發展，以及人們對通信質量及速度的要求，對功率放大器的工作帶寬提出了新的挑戰。以GaN為代表的第三代半導體的發展及成熟，讓功率放大器的工作帶寬拓寬成為可能，也有巨大的優勢。本文著眼于寬帶、小型化、大功率，對寬禁帶半導體中的GaN功率器件的寬帶內匹配技術進行了研究。在2 GHz～6 GHz的帶寬內實現了100 W的功率輸出，其在工作頻帶內的功率附加效率最高點達到了38%。故以GaN為代表的第三代半導體具有良好的寬帶特性，且在功放的設計過程中，結合切比雪夫寬帶匹配理論指導寬帶匹配電路的設計，可以設計出帶寬滿足現代通訊應用場合的寬帶功率放大器。這種設計方法可以推廣到其他頻段的寬帶功率放大器的設計，具有非常廣闊的應用前景。

參考文獻：

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[5] 余振坤，鄭新.SiC寬禁帶功率器件在雷達發射機中的應用分析 [J].微波學報，2007（3）：61-65.

作者簡介：關統新（1987—），男，漢族，甘肅白銀人，工程師，碩士研究生，主要研究方向：GaN功率放大器與功率組件。