S波段宽带GaN放大器的设计 - 全文

　　摘 要： 氮化镓功率管的宽带隙、高击穿电场等特点， 使其具有带宽宽， 高效特性等优点。为了研究GaN 功率放大器的特点， 使用了Ag ilent ADS 等仿真软件， 进行电路仿真设计， 设计制作了一种S 波段宽带GaN 功率放大器。详述了电路仿真过程， 并对设计的宽带GaN 功率放大器进行测试， 通过测试的实验数据表明， 设计的宽带放大器在S 波段宽带内可实现功率超过44 dBm 的功率输出， 验证了GaN 功率放大器具有宽带的特点。

　　新一代半导体功率器件主要有SiC 场效应晶体管和GaN 高电子迁移率晶体管。宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能， 广泛应用于雷达、通信、战斗机、海洋勘探等重要领域。本文使用Agilent ADS 仿真软件设计实现一款GaN 宽带功率放大器， 并对放大器进行了详细测试， 验证了放大器在S 波段2 GHz 带宽内的宽带性能。

　　1 设计目标

　　设计一款S 波段宽带放大器， 满足如下指标：

　　工作频率： S 波段;

　　工作带宽： ± 1 000 MHz;

　　输出功率：≥ 44 dBm;

　　效率： ≥30%。

　　2 宽带放大器设计

　　2. 1 功率器材的选择

　　为了在S 波段2 GHz 带宽内输出25 W 的功率， 对射频功率管有一定的要求： 例如低的输出寄生电容、导通电阻等。常用的硅双极管由于单管胞输出功率有限，在高输出功率下， 多管胞合成后的特性不能满足宽带设计要求。因此， 具有较高功率密度、低导通电阻、低寄生电容、高输出阻抗的宽禁带器件是实现该设计的首选。

　　基于GaN 器件的宽带功率放大器， 国外公开的报道已经完成了三代基于管芯的宽带功放研制。第一代功率放大器采用改进的行波放大器结构， 带宽为1 ~8 GHz, 小信号增益为7 dB, V ds = 18 V 时输出功率3. 6 W; 第二代功率放大器采用LCR 匹配， 并使用2 个Wilkinson 合成器实现4 路合成， 带宽3~ 10 GHz, 小信号增益是7 dB, 在8 GH z 处最高输出功率可达8. 5 W, 功率附加效率达到20% ; 第三代功率放大器采用改进的2 ×2矩阵行波功率放大器结构， 带宽1 ~6 GHz, 输出功率7. 5 W, 功率附加效率达到25%。

　　然而由于宽禁带固态器件目前还处于迅速发展阶段， 且在军事及航空航天领域的应用潜力， 导致高频、大功率、管芯等器件还处于禁运状态， 因此该设计使用的宽禁带功率管为允许对国内销售的货架产品。经综合比较， 选定的器件指标如表1 所示。

　　表1 宽禁带功率器件指标

　　

 

　　2. 2 ADS 射频仿真

　　经典的宽带匹配理论由H · W ·Bode 发表于1945 年， 他应用环路积分的方法对RC 并联负载计算了匹配网络的增益带宽积， 证明其小于等于一个常数。

　　其后R· M · Fano , D · C · Youla 等人进一步发展了宽带匹配理论。然而， 在工程应用设计中， 设计一个宽带功率放大器， 需要在宽带匹配理论的基础上， 兼顾其拓扑结构、宽带匹配网络和宽带偏置网络等; 因此， 该设计将基于功率匹配的概念， 利用大信号下的输入/ 输出阻抗、精确的非线性模型、谐波平衡仿真、负载牵引仿真设计等， 实现目标频段的射频性能。

　　在仿真设计过程中， 单节拓扑结构电路因其本身Q值较高， 匹配的频率范围窄， 只有在窄频范围内匹配较好， 不能用于宽带匹配。因此， 只能利用结构复杂的多节拓扑结构电路进行匹配， 并利用负反馈技术提高稳定性和拓展带宽。多节匹配电路的特点相对于单节电路结构复杂， 占用几何空间大， 可控变量多， 仿真分析需要更多时间， 但其优点是能够在更宽的带宽中寻求更好的匹配设计。

　　在多支节匹配网络中， 输入端各有多段微带线， 每个微带线有长度和宽度两个变量， 这样在输入端和输出端都有多个可控变量， 进行ADS 优化仿真设计。在阻抗匹配电路的设计时， 实际上是通过共轭匹配将要匹配的器件的端口逐渐匹配到50 的特性阻抗上。又因为一般器件的输入/ 输出阻抗在射频频段内是随着频率的变化而变化的， 所以在用分布参数进行电路匹配时， 不可能在所要求的频段内达到完全的匹配， 在宽带要求的情况下， 更加难以实现。

　　因此， 只能采用一些拓扑结构形式， 设计出符合指标的匹配电路， 才可以将输入/ 输出阻抗匹配到50 的特性阻抗上。

　　构建的匹配电路仿真模型如图1 所示。

　　

 

　　图1 ADS 仿真电路图

　　在电路的仿真设计中， 对功率管进行静态工作点设置、稳定性分析后， 利用负载牵引仿真， 确定输出阻抗，再利用原牵引仿真确定输入阻抗。在兼顾功率及效率的情况下， 考虑实际馈电电路的影响后， 对设计好的宽带匹配电路进行大信号S 参数、谐波平衡等仿真优化。

　　通过仿真优化， 在S 波段2 GH z 带宽频带范围内( f 1 ~f 9 ) , 仿真结果如图2 所示。

　　

 

　　图2 功率管匹配电路仿真增益曲线

　　功率管的最高频率点F9 附近容性特征比较明显，从仿真图也可以看出， 在高频率点F9 附近的增益较小。在增加带宽的情况下， 损失了一部分的增益和效率。

　　2. 3 制作匹配微带版图

　　根据仿真结果， 该放大器的匹配电路版图， 如图3所示。

　　

 

　　图3 功率管匹配电路微带图

　　2. 4 宽带放大器测试

　　设计的宽带放大器在S 波段2 GHz 带宽内的功率输出大于44 dBm, 增益大于7. 2 dB, 带内增益起伏为1. 4 dB, 达到设计目标。测试结果如表2 所示。

　　此宽带放大器在确保散热良好的情况下， 具有连续波工作能力。脉宽300 s 占空比20% 。宽带放大器实物图如图4 所示， 仪表测试如图5 所示。

　　

 

　　图4 宽带放大器实物图

　　

 

　　图5 仪表测试

　　表2 制作放大器的实验结果

　　

 

　　3 结 语

　　实验数据表明设计的放大器在S 波段2 GHz 带宽内可实现功率超过44 dBm 的输出， 验证了GaN 功率放大器的宽带特性。给出了可用于实际设计的方法， 对宽带放大器设计实践工作具有一定的帮助。