平面式高功率信號(hào)放大器設(shè)計(jì)

劉榮軍++李保林

摘要：氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）具有高功率密度、高效率和高工作溫度的優(yōu)異特性，在電子裝備和武器系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用。隨著以固態(tài)功放為核心的有源陣面的不斷增加，高效率，高功率，小型化的功率放大器成為未來有源相控陣?yán)走_(dá)的首選功率器件。本文通過采用新穎的偏置電路實(shí)現(xiàn)了一款便于T/R組件內(nèi)部集成的平面式、小型化、高效率GaN內(nèi)匹配功率放大器，經(jīng)測(cè)試，在3.1-3.4GHz帶寬內(nèi)，連續(xù)波輸出可達(dá)80W以上，附加效率≥65%，功率增益≥12dB，外形尺寸僅有15mm*6.6mm*0.8mm。經(jīng)過射頻加速壽命試驗(yàn)及多批次系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測(cè)試，該產(chǎn)品完全滿足相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的使用要求。

關(guān)鍵詞：GaN HEMT；平面式；內(nèi)匹配；高效率；偏置電路

中圖分類號(hào)：TN454 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）03-0207-03

Abstract：With the excellent characteristics of high power density， high working efficiency and high operating temperature， the GaN high electron mobility transistor （HEMT） is widely used in military electronic equipment and weapon system. As the increases of active array based on the solid-state power amplifier （PA）， high power， high efficiency and pint-sized power amplifier will be the principal choice in active phased array radar（APAR）， In this paper， a novel bias circuit was proposed to realize a complanate， miniaturized and high efficiency internal matched GaN power amplifier， which can be easily integrated in T/R modules. The experiment results show that the maximum output power is more than 80 W， the power added efficiency is more than 65% and the power gain is greater than 12 dB across the band of 3.1-3.4 GHz. The external dimensions of the device is only 15 mm*6.6 mm*0.8 mm. By RF accelerated life test and multi-batch on line test， the products completely meet the requirements of the APAR.

Key Words：GaN HEMT； Complanate； Internally Matched； High Efficiency； Bias Circuit

寬禁帶材料具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場(chǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，成為制作大功率、高頻、高壓、高溫及抗輻照電子器件的理想材料。近年來，SiC單晶生長(zhǎng)技術(shù)和GaN異質(zhì)結(jié)外延技術(shù)的不斷成熟，寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的研制和應(yīng)用得到迅速發(fā)展。隨著有源相控陣?yán)走_(dá)陣面的增加，整機(jī)單位對(duì)T/R組件核心器件GaN功率放大器的小型化，高效率等指標(biāo)要求越來越高[1-4]。

針對(duì)GaN功率放大器的小型化和高效率需求，本文通過采用新穎的偏置電路及平面式設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)電路體積大、損耗大的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了一款便于TR組件內(nèi)部集成的平面式功率放大器。文章首先介紹了功率管中所用到的GaN管芯，然后論述了平面式功率放大器的匹配電路設(shè)計(jì)、直流偏置設(shè)計(jì)、工藝實(shí)現(xiàn)、微波性能及功率管的可靠性試驗(yàn)[5-6]。

1 GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管芯

本文設(shè)計(jì)的功率放大器采用自主研制的GaN管芯（見圖1）進(jìn)行兩胞合成，管芯通過金錫焊料直接燒結(jié)在金屬載體片中實(shí)現(xiàn)的良好散熱，并通過金絲與匹配元件進(jìn)行互聯(lián)，在+28V電壓下，每毫米柵寬功率密度可達(dá)3W以上。

2 平面式功率放大器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本文基于管芯的參數(shù)模型設(shè)計(jì)了偏置電路及輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，將GaN晶體管的輸入輸出阻抗匹配到50歐姆。

匹配電路通常采用“T”型LCL低通濾波網(wǎng)絡(luò)[7]將晶體管的輸入輸出阻抗轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)阻抗，其中鍵合引線電感在滿足電路匹配的同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件和微帶電路的電氣互連。由于鍵合線不僅是微波通路，更是直流通路，一根鍵合線的承受電流能力有限，因此電感L通常由n根鍵合引線實(shí)現(xiàn)。

電容C為高階陶瓷平板電容，常用作電容的介質(zhì)有A12O3、SiO2、Si3N4及GaAs等，電容的長(zhǎng)度為a，寬度為b，t為電容介質(zhì)厚度，容量C的計(jì)算公式[8]為：

在通用的電容值范圍，修正常數(shù)k一般在1.2～1.8范圍內(nèi)，a和b越小，t越大，k的值通常也越大。

輸入輸出網(wǎng)絡(luò)中的功分器采用微帶結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)阻抗變換的同時(shí)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的功分輸入及功率合成輸出。本文的介質(zhì)基板選用介電常數(shù)為9.9厚度為0.254mm的氧化鋁陶瓷。

理想的直流偏置電路應(yīng)該是相對(duì)端口阻抗呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，且?guī)Ь€越細(xì)阻抗越高，扼流效果越好。傳統(tǒng)內(nèi)匹配功率放大器（如圖2）直流偏置電路通常是在50歐姆端口處采用1/4波長(zhǎng)線與扇形線或?qū)Φ囟搪冯娙菹嘟Y(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)，該方式存在扼流線過長(zhǎng)的問題。為實(shí)現(xiàn)良好的扼流效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，本文對(duì)傳統(tǒng)的直流偏置電路進(jìn)行了改進(jìn)，采用在阻抗較低的位置進(jìn)行直流偏置設(shè)計(jì)，同時(shí)將偏置電路參與電路的匹配，將偏置電路的尺寸縮小為原來的1/2，整個(gè)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示[9]。

整個(gè)功率模塊的匹配電路通過微組裝工藝集成在長(zhǎng)度為15mm，寬度為6.6mm，厚度為0.5mm的鉬銅載體上（如圖4），鉬銅具有良好的導(dǎo)熱性能以及與GaN管芯相近的熱膨脹系數(shù)。

平面式設(shè)計(jì)突破了以往金屬陶瓷管殼與微組裝工藝不兼容的使用限制，使得功率器件可以與其它元器件同燒結(jié)，共鍵合。小型化平面式設(shè)計(jì)在大型相控陣?yán)走_(dá)T/R組件中擁有封裝功率器件無法比擬的應(yīng)用前景[10]。

3 測(cè)試結(jié)果及可靠性驗(yàn)證

以如圖5所示建立微波大功率測(cè)試系統(tǒng)，被測(cè)器件的輸入功率通過耦合器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，輸出信號(hào)經(jīng)過大功率衰減器進(jìn)入功率計(jì)[11]。

經(jīng)測(cè)試，在柵壓為-5V，漏壓為+28V工作電壓下，3.1-3.4GHz頻段內(nèi)放大器輸出功率≥80W，功率增益≥12dB，功率附加效率≥65%，部分頻點(diǎn)功率附加效率甚至超過70%。圖6為輸出功率和功率附加效率隨頻率的測(cè)試曲線，圖7為功率增益隨頻率的測(cè)試曲線。

我們對(duì)該款GaN功率放大器進(jìn)行了多批次的紅外熱阻測(cè)試，并率先開展了相關(guān)的射頻加速壽命試驗(yàn)工作。自制的脈沖信號(hào)源經(jīng)過耦合器后進(jìn)行四路功分分別為密封在盒體中的GaN功率放大器提供所需的激勵(lì)功率，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入輸出功率變化。試驗(yàn)條件為：脈寬1ms，占空比90%，輸入功率5W，加熱臺(tái)溫度110℃。

四只功率管在高溫加電500小時(shí)后進(jìn)行了電性能復(fù)測(cè)，結(jié)果顯示：射頻輸出功率下降<0.3dB、漏極電流最大變化量<1%，其它指標(biāo)均無明顯變化。該試驗(yàn)充分證明，本文研制的平面式GaN功率放大器具有耐高溫，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，該產(chǎn)品滿足相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的工程化使用要求[12]。

4 結(jié)語(yǔ)

采用新穎的直流偏置電路設(shè)計(jì)，研制出一種S波段平面式GaN功率放大器，在3.1-3.4GHz帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波輸出功率Pout ≥80W，功率附加效率PAE≥65%，功率增益≥12dB，經(jīng)過多批次的裝配測(cè)試及射頻加速壽命試驗(yàn)，本文研制的小型化平面式功率放大器具有耐高溫，高功率，高效率，高成品率，高可靠性，方便集成等特點(diǎn)。高功率器件的平面化設(shè)計(jì)將是未來T/R組件小型化的首要選擇，該產(chǎn)品將在微波通信、相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

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