GaN管芯射頻功率放大器的研究

摘 要：給出了一種基于GaN管芯的C波段射頻功率放大器的設(shè)計方法。該方法采用CREE公司的CGH60120D芯片，并利用ADS軟件對管芯模型進行負(fù)載牽引，以得到管芯的最佳阻抗值，然后設(shè)計管芯的負(fù)載匹配電路和直流偏置電路。最后對整個電路系統(tǒng)進行仿真，使其達到預(yù)期的功率值。

關(guān)鍵詞：GaN；負(fù)載牽引；射頻；功率放大器；管芯

中圖分類號：TN722.75 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）01-0075-02

0 引 言

在通信和雷達系統(tǒng)中，功率放大器是其主要的組成部分，它的性能優(yōu)劣對整個系統(tǒng)來說，影響巨大。在雷達的主要部件—— TR組件設(shè)計中，要求高功率和體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、低成本。人們對通信系統(tǒng)的質(zhì)量和業(yè)務(wù)范圍也要求越來越高。隨著半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展，電路集成度的迅速提高，人們對微波組件性能的期望值也越來越高。特別是對微波功率放大器，人們總希望其頻帶越來越寬、功率越來越大、通用性越來越強。GaN材料作為第三代半導(dǎo)體的代表，具有大帶寬、高飽和電子漂移速率和高擊穿電子強度等顯著特點。GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）理論上可以實現(xiàn)更大的輸出功率、更高的工作效率以及更高的抗輻照能力，代表固態(tài)微波器件的發(fā)展方向。以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體射頻微波器件必將在雷達、電子對抗、通信系統(tǒng)中取得廣泛的應(yīng)用，而且也將解決航空航天電子設(shè)備等方面的難題[1]。

本文采用CREE公司的GaN管芯CGH60120D，采用ADS負(fù)載牽引技術(shù)設(shè)計C波段的微波功率放大器，其發(fā)射功率接近100 W。

1 理論基礎(chǔ)

功率放大電路設(shè)計包括同時提供準(zhǔn)確的有源器件建模、有效的阻抗匹配（依賴于技術(shù)要求和工作條件）、工作的穩(wěn)定性并易于實現(xiàn)等。功率放大器的設(shè)計品質(zhì)的評估是在穩(wěn)定工作條件下使得放大器級數(shù)最少、實現(xiàn)功率增益最大。為了穩(wěn)定工作，必須計算有源器件潛在的不穩(wěn)定工作的頻域。為了避免寄生振蕩，需要討論不同頻率范圍（從低頻到靠近器件的特性頻率）的穩(wěn)定電路技術(shù)。功率放大器的關(guān)鍵參數(shù)是它的線性度，這個參數(shù)對移動通信應(yīng)用是非常重要的。另外，功率放大器的其他參數(shù)有最大輸出功率、效率、l dB壓縮點、三階交調(diào)點等。器件的偏置條件決定了工作狀態(tài)[2]。

2 直流仿真

放大器要想工作在正常狀態(tài)，就必須確定一個靜態(tài)工作點，通過直流仿真了解功放管的靜態(tài)工作點 ，確定如圖 1所示的、正確的偏置和器件靜態(tài) I V曲線。

根據(jù) CGH60120D的資料顯示 ，該器件典型工作狀態(tài)下的漏級電壓為28 V，靜態(tài)電流為1.219 A，圖1中，橫坐標(biāo)為漏級電壓 ，縱坐標(biāo)為電流值 ，在 Vg為28 V的不同曲線中找到能夠使漏極電流為 180 mA的點 ，這時的柵極電壓為-2.8V，這樣便確定了晶體管的 2個供電電壓值。

3 穩(wěn)定性

功率放大電路設(shè)計的目的在于在預(yù)先估計穩(wěn)定度并給定輸出功率值的情況下，得到最大功率增益和效率。功率放大電路的不穩(wěn)定性導(dǎo)致不希望的寄生振蕩，使得輸出信號失真。放大電路不穩(wěn)定的主要原因之一是通過有源器件的內(nèi)在電容、內(nèi)在電感，以及外部電路元件，由輸出端正反饋到輸入端口。因此，任何功率放大電路，特別是在射頻和微波頻率，穩(wěn)定性分析是非常關(guān)鍵的[3]。圖2所示是其電路的穩(wěn)定因子圖。

由圖2可以看出，在5 GHz時，該電路的穩(wěn)定因子為2.925，大于1，可知此電壓下，其電路是穩(wěn)定的。

4 負(fù)載牽引

功放的輸出功率主要取決于有源器件的負(fù)載阻抗，通過改變不同的負(fù)載阻抗值，測試功放的性能，這就是負(fù)載阻抗?fàn)恳Ｍ砀淖冊醋杩沟闹祦慝@得功放不同的性能叫做源阻抗?fàn)恳４罱ㄒ惶讓嶋H的負(fù)載（源）阻抗?fàn)恳到y(tǒng)是很困難而且代價昂貴的，但是隨著微波 EDA技術(shù)的發(fā)展，利用軟件仿真來實現(xiàn)負(fù)載（源）阻抗?fàn)恳呛芊奖愕腫4]。用ADS軟件中的LoadPull模塊對管芯進行負(fù)載牽引情況如圖3所示。

由圖3中可得出其最佳負(fù)載阻抗為1.614+j*1.604。下來就可根據(jù)阻抗匹配理論 ，在 smithchar對輸出共扼匹配 ，利用微帶線完成匹配網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)在阻抗圓圖上的軌跡如圖 4所示。

由圖4可以得出，該管芯的負(fù)載匹配電路如圖5所示。

把負(fù)載阻抗加入電路，再用同樣方法進行源阻抗?fàn)恳⒃趕mithchar完成匹配電路。最后把源阻抗也加入電路中，得到的整體電路如圖6所示。

而對整體電路進行優(yōu)化后，再對整體電路進行諧波平衡仿真，其功率仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看到，該電路的最佳輸出功率為49.644 dBm，接近100 W，因而可達預(yù)期的功率輸出。功放的效率仿真結(jié)果如圖8所示，可以看到，其效率值達到56.278%，符合功放設(shè)計的預(yù)期值。

5 結(jié) 語

本文對CREE公司的CGH60120D氮化鎵管芯進行負(fù)載牽引仿真，結(jié)果證明：此芯片設(shè)計下的C波段功率放大器的最佳功率能達到100 W。可以滿足通信領(lǐng)域和雷達領(lǐng)域?qū)β史糯笃鞣糯笾档男枨蟆?/p>

參 考 文 獻

[1] BAHL I.射頻與微波晶體管放大器基礎(chǔ)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2013.

[2]徐興福.ADS200射頻電路設(shè)計與仿真實例[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2010.

[3] Pozar D M.微波工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4]邢靖.基于負(fù)載牽引測試系統(tǒng)的功率管參數(shù)提取[J].微波學(xué)報，2009，25（3）： 56–59.

[5]張玉興.射頻與微波晶體管功率放大器工程[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2013.