S波段寬帶GaN放大器的設計

　　摘要：氮化鎵功率管的寬帶隙、高擊穿電場等特點，使其具有帶寬寬，高效特性等優(yōu)點。為了研究GaN 功率放大器的特點，使用了Ag ilent ADS 等仿真軟件，進行電路仿真設計，設計制作了一種S 波段寬帶GaN 功率放大器。詳述了電路仿真過程，并對設計的寬帶GaN 功率放大器進行測試，通過測試的實驗數(shù)據(jù)表明，設計的寬帶放大器在S 波段寬帶內(nèi)可實現(xiàn)功率超過44 dBm 的功率輸出，驗證了GaN 功率放大器具有寬帶的特點。

　　新一代半導體功率器件主要有SiC 場效應晶體管和GaN 高電子遷移率晶體管。寬禁帶半導體功率器件可以明顯提高電子信息系統(tǒng)的性能，廣泛應用于雷達、通信、戰(zhàn)斗機、海洋勘探等重要領域。本文使用Agilent ADS 仿真軟件設計實現(xiàn)一款GaN 寬帶功率放大器，并對放大器進行了詳細測試，驗證了放大器在S 波段2 GHz 帶寬內(nèi)的寬帶性能。

　　1 設計目標

　　設計一款S 波段寬帶放大器，滿足如下指標：

　　工作頻率： S 波段;

　　工作帶寬： ± 1 000 MHz;

　　輸出功率：≥ 44 dBm;

　　效率： ≥30%。

　　2 寬帶放大器設計

　　2. 1 功率器材的選擇

　　為了在S 波段2 GHz 帶寬內(nèi)輸出25 W 的功率，對射頻功率管有一定的要求：例如低的輸出寄生電容、導通電阻等。常用的硅雙極管由于單管胞輸出功率有限，在高輸出功率下，多管胞合成后的特性不能滿足寬帶設計要求。因此，具有較高功率密度、低導通電阻、低寄生電容、高輸出阻抗的寬禁帶器件是實現(xiàn)該設計的首選。

　　基于GaN 器件的寬帶功率放大器，國外公開的報道已經(jīng)完成了三代基于管芯的寬帶功放研制。第一代功率放大器采用改進的行波放大器結(jié)構(gòu)，帶寬為1 ~8 GHz, 小信號增益為7 dB, V ds = 18 V 時輸出功率3. 6 W; 第二代功率放大器采用LCR 匹配，并使用2 個Wilkinson 合成器實現(xiàn)4 路合成，帶寬3~ 10 GHz, 小信號增益是7 dB, 在8 GH z 處最高輸出功率可達8. 5 W, 功率附加效率達到20% ; 第三代功率放大器采用改進的2 ×2矩陣行波功率放大器結(jié)構(gòu)，帶寬1 ~6 GHz, 輸出功率7. 5 W, 功率附加效率達到25%。

　　然而由于寬禁帶固態(tài)器件目前還處于迅速發(fā)展階段，且在軍事及航空航天領域的應用潛力，導致高頻、大功率、管芯等器件還處于禁運狀態(tài)，因此該設計使用的寬禁帶功率管為允許對國內(nèi)銷售的貨架產(chǎn)品。經(jīng)綜合比較，選定的器件指標如表1 所示。

　　表1 寬禁帶功率器件指標

　　2. 2 ADS 射頻仿真

　　經(jīng)典的寬帶匹配理論由H · W ·Bode 發(fā)表于1945 年，他應用環(huán)路積分的方法對RC 并聯(lián)負載計算了匹配網(wǎng)絡的增益帶寬積，證明其小于等于一個常數(shù)。

　　其后R· M · Fano , D · C · Youla 等人進一步發(fā)展了寬帶匹配理論。然而，在工程應用設計中，設計一個寬帶功率放大器，需要在寬帶匹配理論的基礎上，兼顧其拓撲結(jié)構(gòu)、寬帶匹配網(wǎng)絡和寬帶偏置網(wǎng)絡等; 因此，該設計將基于功率匹配的概念，利用大信號下的輸入/ 輸出阻抗、精確的非線性模型、諧波平衡仿真、負載牽引仿真設計等，實現(xiàn)目標頻段的射頻性能。

　　在仿真設計過程中，單節(jié)拓撲結(jié)構(gòu)電路因其本身Q值較高，匹配的頻率范圍窄，只有在窄頻范圍內(nèi)匹配較好，不能用于寬帶匹配。因此，只能利用結(jié)構(gòu)復雜的多節(jié)拓撲結(jié)構(gòu)電路進行匹配，并利用負反饋技術(shù)提高穩(wěn)定性和拓展帶寬。多節(jié)匹配電路的特點相對于單節(jié)電路結(jié)構(gòu)復雜，占用幾何空間大，可控變量多，仿真分析需要更多時間，但其優(yōu)點是能夠在更寬的帶寬中尋求更好的匹配設計。

　　在多支節(jié)匹配網(wǎng)絡中，輸入端各有多段微帶線，每個微帶線有長度和寬度兩個變量，這樣在輸入端和輸出端都有多個可控變量，進行ADS 優(yōu)化仿真設計。在阻抗匹配電路的設計時，實際上是通過共軛匹配將要匹配的器件的端口逐漸匹配到50 的特性阻抗上。又因為一般器件的輸入/ 輸出阻抗在射頻頻段內(nèi)是隨著頻率的變化而變化的，所以在用分布參數(shù)進行電路匹配時，不可能在所要求的頻段內(nèi)達到完全的匹配，在寬帶要求的情況下，更加難以實現(xiàn)。

　　因此，只能采用一些拓撲結(jié)構(gòu)形式，設計出符合指標的匹配電路，才可以將輸入/ 輸出阻抗匹配到50 的特性阻抗上。

　　構(gòu)建的匹配電路仿真模型如圖1 所示。