一種GaN寬禁帶功率放大器的設(shè)計(jì)

0 引言

半導(dǎo)體功率器件按材料劃分大體經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一代半導(dǎo)體功率器件以Si雙極型功率晶體管為主要代表，主要應(yīng)用在S波段及以下波段中。Si雙極型功率晶體管在L波段脈沖輸出功率可以達(dá)到數(shù)百瓦量級(jí)，而在S波段脈沖功率則接近200W。第二代半導(dǎo)體功率器件以GaAs場(chǎng)效晶體管為代表，其最高工作頻率可以達(dá)到30～100 GHz。GaAs場(chǎng)效應(yīng)晶體管在C波段最高可輸出功率接近100W，而在X波段則可達(dá)到25 W。第三代半導(dǎo)體功率器件以SiC場(chǎng)效應(yīng)晶體管和GaN高電子遷移率晶體管為主要代表。同第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，SiC和GaN半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于高頻、高功率、抗輻射的功率器件，并且可以在高溫惡劣環(huán)境下工作。由于具備這些優(yōu)點(diǎn)，寬禁帶半導(dǎo)體功率器件可以明顯提高電子信息系統(tǒng)的性能，廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星、火箭、雷達(dá)、通訊、戰(zhàn)斗機(jī)、海洋勘探等重要領(lǐng)域。

本文基于Agilent ADS仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款高效GaN寬禁帶功率放大器，詳細(xì)說(shuō)明設(shè)計(jì)步驟并對(duì)放大器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明放大器可以在2．3～2．4 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率15W以上，附加效率超過(guò)67％的輸出。

1 GaN寬禁帶功率放大器的設(shè)計(jì)

1．1 放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)

在2．3～2．4 GHz工作頻段內(nèi)，要求放大器連續(xù)波工作，輸出功率大于10 W，附加效率超過(guò)60％。

1．2 功率管的選擇

根據(jù)放大器要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)選用的是某進(jìn)口公司提供的SiC基GaN寬禁帶功率管，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

1．3 放大器電路設(shè)計(jì)

圖1為功率放大器原理框圖。圖1中，IMN＆Bias和OMN＆Bias分別為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)及輸入偏置電路和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)及偏置電路，VGS和VDS分別為柵極-源極工作電壓和漏極-源極工作電壓。采取的設(shè)計(jì)思路是：對(duì)功率管進(jìn)行直流分析確定放大器靜態(tài)工作電壓；進(jìn)行穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)；利用源牽引(Source Pull)和負(fù)載牽引(Load Pull)方法確定功率管匹配電路的最佳源阻抗ZS和最佳負(fù)載阻抗ZL(ZS和ZL的定義見(jiàn)圖1)；根據(jù)獲得的源阻抗與負(fù)載阻抗進(jìn)行輸入、輸出匹配電路設(shè)計(jì)以及偏置電路設(shè)計(jì)；加工、調(diào)試及改版。

1．3．1 直流分析

對(duì)功率放大器進(jìn)行直流分析的目的是通過(guò)功率管的電流-電壓(I-V)曲線確定功率管的靜態(tài)工作電壓。由于廠家提供了功率管的ADS模型，因此設(shè)計(jì)中直接利用該模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)(下同)。

圖2為在Agilent ADS軟件中對(duì)器件模型進(jìn)行直流分析的結(jié)果。根據(jù)廠家給出的器件規(guī)格參數(shù)以及圖2中的I-V曲線，選用VDS=28 V，VGS=-2．5 V作為放大器的工作電壓。為使放大器能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率，這里選取靜態(tài)電壓讓放大器在C類條件下工作。

1．3．2 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是放大器設(shè)計(jì)中需要考慮的關(guān)鍵因素之一，它取決于晶體管的S參數(shù)和置端條件。功率放大器的不穩(wěn)性將產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的寄生振蕩，導(dǎo)致結(jié)果失真，甚至設(shè)計(jì)失敗。因此，在進(jìn)行放大器阻抗匹配電路設(shè)計(jì)之前，必須進(jìn)行穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)。

圖3給出了功率管穩(wěn)定系數(shù)隨頻率的變化曲線。圖3中，穩(wěn)定系數(shù)K與D分別定義為：

從圖3可以看出，在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)K和D分別滿足大于1和小于1的條件，所以功率管為無(wú)條件穩(wěn)定。

1．3．3 源牽引與負(fù)載牽引分析

源牽引／負(fù)載牽引分析方法原理：放大器在大信號(hào)電平激勵(lì)下，通過(guò)連續(xù)變換源阻抗／負(fù)載阻抗對(duì)功率管進(jìn)行分析，然后在Smith阻抗圓圖上畫出等功率曲線和等增益曲線，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇出最佳源阻抗／最佳負(fù)載阻抗準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出滿足要求的功率放大器。

分析中選取中心頻率f=2．35 GHz。為準(zhǔn)確獲取功率管的最佳源阻抗ZS和最佳輸出阻抗ZL，分析過(guò)程中遵循效率優(yōu)先的策略，并采取如下步驟：

首先，假定ZS(O)=10 Ω進(jìn)行負(fù)載牽引分析獲得ZL(1)；然后，根據(jù)ZL(1)進(jìn)行源牽引分析獲得ZS(1)；再根據(jù)ZS(1)進(jìn)行負(fù)載牽引分析得到ZL(2)，…。重復(fù)進(jìn)行源牽引分析與負(fù)載牽引分析，直至前后兩次得到的負(fù)載阻抗ZL相等或者相差很小為止。

圖4為進(jìn)行源牽引分析和負(fù)載牽引分析得到的功率管輸出功率、附加效率(Power Added Efficiency，PAE)等高線圖。圖4中，功率管的附加效率定義為：

式中：POUT，PIN和PDC分別為放大器輸出功率、輸入功率和電源消耗功率；ηPAE代表功率附加效率。

從圖4中可以讀出功率放大器的最佳源阻抗與最佳負(fù)載阻抗分別為ZS=2．1-j6．5 Ω與ZL=13+j7．8 Ω。

1．3．4 匹配網(wǎng)絡(luò)、偏置電路設(shè)計(jì)

匹配電路主要用來(lái)進(jìn)行阻抗變換，其最終的目的是為了實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸。在仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先假設(shè)是在理想偏置電路的情況下利用取得的最佳源阻抗和最佳負(fù)載阻抗進(jìn)行輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，然后根據(jù)1／4λ準(zhǔn)則進(jìn)行偏置電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)微調(diào)電路部分參數(shù)使偏置電路滿足射頻扼流的要求。在Agilent ADS軟件中，為使設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確模擬真實(shí)情況，一般需要在電路設(shè)計(jì)(基于模型的)之后進(jìn)行RFMomen-tum優(yōu)化仿真。圖5為Agilent ADS軟件設(shè)計(jì)的放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與偏置電路。圖5中，微波電路基板材料選用的是Rogers公司的RT／duroid 6002板材，介電常數(shù)為2．94，厚度為O．254 mm。優(yōu)化仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：放大器的效率和帶寬是一對(duì)矛盾，當(dāng)效率提高時(shí)，帶寬變窄，反之亦然。

2 指標(biāo)測(cè)試

放大器實(shí)物如圖6所示。

對(duì)設(shè)計(jì)的寬禁帶功率放大器進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試條件是：連續(xù)波工作，漏極電壓VDS=28 V，柵極電壓VGS=-2．5 V。圖7為頻率為2．35 GHz時(shí)，放大器輸出功率、附加效率隨輸入功率的變化曲線。由測(cè)試結(jié)果可知：隨著輸入功率的增大，放大器的輸出功率近似呈線性增大，在26 dBm開(kāi)始出現(xiàn)飽和；隨著輸入功率的增大，放大器附加效率增大，在27 dBm時(shí)達(dá)到最大附加效率68．5％。實(shí)驗(yàn)還在2．2～2．6 GHz頻率范圍內(nèi)(0．5 GHz為步長(zhǎng))測(cè)試了放大器的輸出功率和附加效率參數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。在2．25～2．5 GHz頻率范圍內(nèi)，放大器輸出功率在10 W以上，附加效率也超過(guò)60％。在2．3～2．4 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率超過(guò)15 W，附加效率超過(guò)67 9／6，放大器滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

利用SiC基GaN寬禁帶功率器件設(shè)計(jì)制作了S波段10 W功率放大器。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的放大器在2．3～2．4 GHz內(nèi)附加效率在67 9／6以上，也證實(shí)了寬禁帶器件高效率、高增益的特點(diǎn)。