一種40W高效微波功率放大器的設(shè)計?

趙家敏 安 士 全閆超（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所合肥230088）

一種40W高效微波功率放大器的設(shè)計?

趙家敏 安 士 全閆超
（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所合肥230088）

針對高效率功率放大器設(shè)計，使用第三代寬禁帶半導(dǎo)體，基于ADS仿真軟件的負(fù)載牽引技術(shù)，采用非線性模型設(shè)計了一款S波段功率放大器。測試結(jié)果表明，在2.2GHz~2.3GHz頻段內(nèi)，輸出功率大于40W，功率附加效率大于65%。測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，驗(yàn)證了設(shè)計方法的有效性。

微波功率放大器；負(fù)載牽引；非線性仿真；GaN

Class Num ber TN722

1 引言

功率放大器作為雷達(dá)、通信等系統(tǒng)中無線收發(fā)系統(tǒng)中最主要的消耗能量單元，提高功率放大器效率在很大程度上能提高整個系統(tǒng)的效率，延長系統(tǒng)的工作時間，簡化系統(tǒng)散熱裝置［1］。因此，高效率一直是功率放大器發(fā)展過程中設(shè)計人員追求的一個重要指標(biāo)。與傳統(tǒng)基于GaAs的HEMT相比，寬禁帶功率放大器有較高的增益、較高的截止頻率、較低的源電阻、較高的最大電流密度和較高的基片熱導(dǎo)率，這些優(yōu)點(diǎn)使它們在高頻段有較高的器件附加效率和較高的輸出功率，因此，高效率放大器的發(fā)展一直伴隨著寬禁帶功率器件的發(fā)展［2~3］。

微波功率放大器是無線通信、雷達(dá)、電子對抗中的關(guān)鍵器件，主要的作用是將信號放大到一定的功率。微波功率放大器的輸出功率和效率是最重要的兩個指標(biāo)。為了提高這兩個指標(biāo)設(shè)計人員一般讓微波功率放大器工作在非線性狀態(tài)，因此傳統(tǒng)的基于線性理論的小信號放大器設(shè)計方法已經(jīng)不適用［4］。負(fù)載牽引是設(shè)計微波功率放大器的一種有效的方法，該方法通過不斷變化負(fù)載阻抗，找到有源器件輸出功率最大和效率最高的輸出阻抗，根據(jù)這些輸出阻抗值設(shè)計出滿足指標(biāo)要求的功率放大器。微波功率放大器的設(shè)計一直存在著設(shè)計難度大，調(diào)試要求高等問題，主要靠設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，使用基于ADS仿真軟件的負(fù)載牽引技術(shù)為微波功率放大器的設(shè)計提供了一個行之有效的方法。

文中描述了基于EDA技術(shù)的微波功率放大器的設(shè)計方法，利用新型寬禁帶半導(dǎo)體器件CGH40045，使用ADS軟件對有源器件進(jìn)行負(fù)載牽引和阻抗匹配，設(shè)計了一款S波段高效率功率放大器。

2 寬禁帶半導(dǎo)體晶體管

半導(dǎo)體晶體管的發(fā)展始終以半導(dǎo)體材料的發(fā)展為基礎(chǔ)。一般將以Si、Ge等為代表的元素半導(dǎo)體材料稱為第一代半導(dǎo)體材料；以GaAs、InP、GaP等為代表的材料稱為第二代半導(dǎo)體材料；以SiC、GaN、AlN、ZnO、金剛石為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料稱為第三代半導(dǎo)體材料。

以Si材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料的發(fā)展是從20世紀(jì)50年代開始，它取代了笨重的電子管，導(dǎo)致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個IT產(chǎn)業(yè)的飛躍。20世紀(jì)90年代以來第二代半導(dǎo)體材料開始興起，由于其具有電子遷移率高、電子飽和漂移速度高等特點(diǎn)，適于制備高速和超高速半導(dǎo)體器件，目前基本占領(lǐng)手機(jī)制造器件市場。然而要適應(yīng)高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等特殊環(huán)境，必須采用新的材料，以便最大限度地提高電子元器件的內(nèi)在性能。傳統(tǒng)Si和GaAs半導(dǎo)體器件性能已接近其材料本身決定的理論極限。新發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料-寬禁帶半導(dǎo)體材料（GaN材料）具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高電子飽和速度、高擊穿電壓、低介電常數(shù)等特點(diǎn)，從理論上保證了其較寬的適用范圍［5~7］。

由于GaN材料的特殊性，AlGaN/GaN HEMT器件存在電流崩塌和自加熱效應(yīng)，器件模型不夠精確一直是制約AlGaN/GaN HEMT功率放大器發(fā)展的瓶頸。隨著AlGaN/GaN HEMT功率器件設(shè)計技術(shù)和制造工藝的不斷進(jìn)步，以及研究者對HEMT器件結(jié)構(gòu)和工作情況理解的逐步加深，研究者逐步完善AlGaN/GaN HEMT小信號以及大信號等效電路模型，在常規(guī)等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行了有效的改進(jìn)，取得了良好的效果［8~9］。可靠的器件模型為AlGaN/GaN HEMT功率放大器的設(shè)計打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。基于AlGaN/GaN HEMT功率放大器的各種類型的放大器研究迅速展開，工作頻率也由單頻率逐漸發(fā)展到多頻段、寬帶的水平。

3 電路設(shè)計

3.1 直流仿真

本文使用新型寬禁帶半導(dǎo)體器件CGH40045設(shè)計功率放大器，首先使用直流仿真確定器件的直流工作特性、靜態(tài)工作點(diǎn)。ADS中直流仿真的模型及IV曲線如圖1所示。根據(jù)CGH40045的資料和直流仿真曲線，確定功率管的靜態(tài)工作狀態(tài)為漏極電壓Vd為28V，柵極電壓Vg為-2.3V。

3.2 負(fù)載牽引

微波功率放大器的輸出功率、效率等性能取決于有源器件的負(fù)載阻抗，改變負(fù)載阻抗會得到不同的輸出功率是負(fù)載牽引的基本原理。同理，功率放大器的性能還與源阻抗有關(guān)，需要進(jìn)行源牽引。

首先利用ADS對功放進(jìn)行負(fù)載牽引，圖2、3分別是負(fù)載牽引的模型及仿真結(jié)果。在圖3中輸出功率和效率的等高線上選取比較理想的阻抗值作為初始值，之后進(jìn)行源牽引。經(jīng)過輸出功率和效率之間進(jìn)行折中選擇，確定最終的輸出阻抗為5Ω，輸入阻抗為2-j*5，此時仿真得到的功率附加效率為66.9%，輸出功率47.2dBm。

3.3 輸入輸出阻抗匹配設(shè)計

在確定好輸入輸出阻抗后，根據(jù)阻抗匹配理論進(jìn)行輸入輸出阻抗匹配，由于在S波段比較適合采用分布參數(shù)的匹配電路，使用微帶開短截線、短路短截線進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)建［10~12］。圖4、圖5為輸入、輸出匹配電路仿真設(shè)計。

輸入匹配電路最終匹配到1.5+j*5Ω，與源牽引比較理想的輸入阻抗2+j*5接近。輸出匹配電路最終匹配到4.7Ω，與源牽引比較理想的輸入阻抗5Ω接近。

3.4 整體仿真

對輸入輸出匹配電路設(shè)計完成后需要對整體電路性能進(jìn)行優(yōu)化仿真，以優(yōu)化放大器的效率、輸出功率、增益、穩(wěn)定性等各方面性能，確保放大器的實(shí)用性。如圖6是整體仿真的模型，圖7、8、9是優(yōu)化后的功率附加效率和輸出功率的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果看放大器在2.2GHz~2.3GHz效率大于80%，在輸入功率大于30dBm，放大器逐漸飽和，飽和輸出功率47dBm。

4 測試分析

根據(jù)上述設(shè)計，對40W功率放大器進(jìn)行了投產(chǎn)加工，電路實(shí)物圖如圖10所示。對功率放大器在設(shè)計頻段內(nèi)進(jìn)行了測試，圖11是在設(shè)計的頻率范圍內(nèi)輸出功率隨輸入功率變化曲線，在輸入功率大于30dBm，輸出功率逐漸飽和，飽和輸出功率大于46dBm。圖12是經(jīng)計算各頻點(diǎn)的漏極效率曲線，由圖可以看出，在設(shè)計的100MHz帶寬內(nèi)效率達(dá)到了65%，在頻帶以外，輸出功率和漏極效率有所降低，效率也在55%以上，具有良好的性能。測試結(jié)果與仿真結(jié)果相比，效率和增益有所下降，但總體趨勢基本相符，說明仿真設(shè)計的有效性。

5 結(jié)語

本文基于ADS微波功率放大器的負(fù)載牽引技術(shù)，利用廠家提供的非線性模型，設(shè)計了一款S波段高效率GaN功率放大器，通過實(shí)物測試表明，測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了此設(shè)計方法的有效性，為GaN功率放大器設(shè)計提供了一種有效的設(shè)計方法。

［1］朱崢嶸.國外雷達(dá)技術(shù)新進(jìn)展概述［J］.信息化研究，2010，36（6）：8-10.

［2］曹韜，曾榮.基于GaN HEMT器件的寬帶高效功率放大器［J］.微波學(xué)報，2012，28（6）：76-79.

［3］Saad P，F(xiàn)ager C，Cao H，et al.Design of a Highly Effi?cient 2–4-GHz Octave Band width GaN-HEMT Power Amplifier［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques，2010，58（7）：1677-1685.

［4］祁云飛.基于小信號S參數(shù)的功率放大器設(shè)計［J］.電子科技，2010，23（8）：68-69.

［5］張光義，王炳如.對有源相控陣?yán)走_(dá)的一些新要求與寬禁帶半導(dǎo)體器件的應(yīng)用（續(xù)完）［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27（2）：1-4.

［6］周鵬.GaN HEMT大功率高效開關(guān)類功率放大器的研究與設(shè)計［D］.天津：天津大學(xué)，2014.

［7］張永慧，呂春明，汪邦金.一種S波段寬帶GaN放大器的設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（10）：196-198.

［8］嚴(yán)繼進(jìn)，蔡斐.一種E類高效GaN HEMT功率放大器設(shè)計［J］.電子科技，2016，29（2）：134-136..

［9］T.B.Mader，Z.B.Popovic.The transmission-line high-efficiency class-E amplifier［J］.IEEE Microwave& GuidedWave Letters，1995，5（9）：290-292.

［10］安士全，郭本青，張瑞.一種小型化超寬帶功率放大器的設(shè)計［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2014，9（6）：639-642.

［11］張家宇，常樹茂等.基于ADS的功率放大器仿真模型設(shè)計［J］.電子科技，2016，29（7）：136-138.

［12］殷素杰，杜浩.射頻功率放大器的寬帶匹配設(shè)計［J］.無線電工程，2013，43（2）：48-51.

Design of A High Efficiency Power Am p lifierw ith 40W OutputPower

ZHAN Jiam in AN Shiquan YAN Chao
（No.38 Research Institute，CETC，Hefei 230088）

Concerning the design goalof ahigh efficiency poweramplifier，thispaper proposes an available designmethodolo?gy：Based on the Load Pull technology of ADS software，using the third semiconductor ofwide gap，designed an Sband power am?p lifier.Themeasurement results indicate thatwithin 2.2GHz~2.3GHz，Delivered Power ishigher than 40W，the efficiency is higher than 65%.Hence，themethodology iswellverified.

power amplifier，load pull，non-linearmodel，GaN

TN722 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.032

2016年11月9日，

2016年11月23日

趙家敏，男，博士，工程師，研究方向：寬帶功率放大器。安士全，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向：射頻前端。閆超，男，碩士研究生，工程師，研究方向：射頻前端。