S波段GaN微波功率器件的研制*

周澤倫，多新中，王棟

(西安電子工程研究所，西安710100)

S波段GaN微波功率器件的研制*

周澤倫，多新中，王棟*

(西安電子工程研究所，西安710100)

簡要介紹了第3代新型半導體材料GaN的特點和優(yōu)勢，基于Agilent ADS微波仿真軟件設計并實現(xiàn)了一款工作于S波段基于GaN的高效超寬帶微波功率器件。測試結果表明，該器件適用于2.7 GHz～3.5 GHz的超寬帶，連續(xù)波和脈沖制式均可工作，在飽和狀態(tài)下，輸出功率大于15W，增益達到13 dB，漏極效率超過45%，并在管殼內部實現(xiàn)了匹配和偏置電路，對GaN MOSFET微波功率器件小型化、超寬帶、高增益和高效率的優(yōu)異性能得以驗證和實現(xiàn)。

GaN;微波功率器件;ADS;超寬帶;高效率

電子對抗、雷達、探測等重要的通信系統(tǒng)快速發(fā)展，固態(tài)微波寬帶功率器件被廣泛應用、需求不斷增加，通信系統(tǒng)對其小型化、超寬帶、高增益以及高效率的關鍵技術要求與日俱增。基于國家安全、通信需求、經濟效益等因素的考慮，研究開發(fā)出相關設備所用的更高性能的微波功率器件成為迫切需要解決的問題。

高熱導率、低漏電流以及更小的介電常數(shù)和更高的電子飽和率等，這些特點有助于提高晶體管的擊穿電壓，另外抑制電流崩塌效應，對提高器件的功率密度、漏極效率和增益等用處很大，且在工藝中容易實現(xiàn)，第3代新型半導體材料GaN在射頻和大功率領域具有很大優(yōu)勢［1］。

基于Agilent ADS仿真軟件設計并實現(xiàn)了一款工作于S波段基于GaN的高效超寬帶微波功率器件，具體為2.7 GHz～3.5 GHz，以15W為輸出功率，比之于現(xiàn)國內市場上的2.7 GHz～3.1 GHz和3.1 GHz～3.5 GHz更具有超寬帶優(yōu)越性，功率增益高達13 dB，效率超過45%，并將關鍵的輸入輸出匹配電路和直流偏置電路與晶體管一樣置于管殼當中。對比國內外MMIC產品，該器件更加靈活且具有更低的價格;對比同類GaN產品，小型化和集成度更具優(yōu)勢。該產品主要用在國產軍事雷達裝備中，將前端傳輸來的脈沖信號功率放大，再傳輸給天線發(fā)射出去，是雷達裝備的關鍵部件。每年S波段雷達對器件的需求在數(shù)十萬只，市場潛力巨大，是一項很有意義的課題。

1 仿真與設計

1.1 技術指標和晶體管的選擇

在2.7 GHz～3.5 GHz工作頻段內，要求器件在連續(xù)信號和脈沖信號下均可工作，飽和狀態(tài)下，輸出功率大于15W，漏極效率超過45%，功率增益大于13 dB。主要是憑借對CREE公司提供的GaN MOSFET晶體管CGH60015D進行內部阻抗匹配電路和內部直流偏置電路的設計和測試，進行工程應用研究。

1.2 直流分析

通過廠家提供的晶體管ADS模型進行直流分析，得到電流-電壓(I-V)曲線以確定其靜態(tài)工作點，如圖1所示。結合數(shù)據(jù)手冊推薦晶體管在AB類條件下工作，選用Q點VDS=32 V，VGS=-3.1 V作為器件的工作點。

圖1 晶體管直流分析I－V曲線

1.3 電路的仿真與設計

GaN MOSFET晶體管的正常工作需要對應的匹配網絡和偏置網絡才能實現(xiàn)。設計總框圖如圖2所示。

圖2 總框圖

1.3.1 源牽引與負載牽引的分析

通過ADS，在大信號輸入下，反復變換源阻抗(ZS)和負載阻抗(ZL)對晶體管進行分析，可以在Smith阻抗圓圖上繪制等功率圓與等效率圓，當前后兩次得到的最佳阻抗點ZS和ZL相等為止［2-4］。分別選取頻率2.7 GHz，2.9 GHz，3.1 GHz，3.3 GHz和3.5 GHz 5個點進行全面分析。在仿真過程中，由于所得輸出功率已經足夠大，因而選取效率最高的點，分析結果如表1所示。

表1 晶體管最佳阻抗點

由表1可以看出，在這800 MHz頻段范圍內源阻抗ZS非常接近，負載阻抗ZL差距也不大，這里選取ZS=2.9+j8.4，ZL=17.0+j13.5作為試驗點進行下一項分析。

1.3.2 匹配網絡

為了實現(xiàn)晶體管放大器的寬頻帶、高效率和高增益，應盡可能將匹配網絡靠近有源器件的輸入端。將匹配網絡置于功率管殼內，可以將器件性能最大化［5］。

匹配網絡的實質就是完成阻抗變換，將現(xiàn)有阻抗值轉換為所需阻抗值(研究中即為50Ω)。其作用就是實現(xiàn)信號的完美傳輸，所謂完美傳輸，即減小傳輸損耗、降低噪聲干擾和提高頻率響應線性度等［6］。

由于在管殼內實現(xiàn)匹配網絡，所以必須要考慮管殼的寄生參數(shù)對網絡的影響。使用矢量網絡分析儀測得管殼S參數(shù)，將S參數(shù)以S2P格式導入ADS，進行擬合分析并建立模型如圖3所示。

圖3 管殼LRC擬合模型

對表1最佳阻抗點取共軛即為晶體管的輸入阻抗Zin和輸出阻抗Zout。輸入阻抗非常接近，這里取Zin=ZS

*=2.9-j8.4，輸出阻抗取實部的最大最小中間值和虛部的最大最小中間值Zout=ZL*=17.0-j13.5，再進行輸入、輸出匹配的網絡設計，利用T型匹配網絡均匹配至50Ω標準。

晶體管輸出阻抗較大，很容易將其匹配至50 Ω，這里不多做敘述。

輸入阻抗Zin=2.9-j×8.4較小，匹配至50Ω，通過Smith阻抗原圖可以看出，或由經驗式(1)得出，節(jié)點品質因數(shù)Qn較大，約為4;接著通過Qn與有載品質因數(shù)Qe的關系式(2)得出Qe為2;最后通過3 dB帶寬的式(3)得出3 dB帶寬(WB)可以達到1.55 GHz;寬帶匹配的帶寬相對較小，根據(jù)現(xiàn)2.7 GHz～3.5 GHz 800 MHz帶寬帶內平坦度應保持在1 dB以內，理論上可以達到。

具體為:分別由GaN晶體管上柵極和漏極作鍵合線(鍵合線為金絲，作為電感)至電容上，電容接地，再由電容作鍵合線至隔直電容上，形成輸入和輸出T型匹配。

由于管殼寄生參數(shù)對匹配網絡具有一定影響，還需要進行實際測試確定結論。

1.3.3 偏置網絡

一個偏置網絡由一個直流電源模塊和射頻扼流圈共同組成。射頻扼流圈在工作頻段內具有很高的阻抗，其作用顧名思義，阻止射頻信號通過偏置網絡泄漏，使信號通過GaN FET晶體管放大的輸出信號不受損耗，從而使器件的漏極效率得以保證。

根據(jù)已知的終端有載傳輸線輸入阻抗的最終形式如式(4)所示［6］，

將該傳輸線以短路形式，即ZL=0時，式(4)可簡化為:

當d=λ/4時(用λ表示波長)，阻抗趨于無窮大。因此常以λ/4高阻抗線作為射頻扼流圈。

在Agilent ADS軟件中，由于λ/4高阻抗線和其他電路元件基板材料不同，必須對λ/4線進行Momentum仿真［7］。圖4為所設計的λ/4高阻抗線原理圖。其中，基底材料選用氧化鋁陶瓷，其介電常數(shù)為9.7，厚度為0.381mm。圖5則為通過Momentum仿真得到高阻抗線后設計的偏置電路。

圖4 柵極(左)和漏極(右)λ/4高阻抗線

柵極和漏極偏置電路仿真結果為諧振點均在3.1 GHz處，且實阻抗分別達到5 800Ω和3 300Ω，近似開路，符合要求。為防止低頻振蕩，在柵極偏置電路串聯(lián)一個較小的約10Ω的電阻［8］。

1.4 總電路和穩(wěn)定性分析

在實際的貼片當中，需將晶體管的源極接地。由于源極與晶體管芯片背面金屬相通，因此通過共晶焊工藝使源極與管殼相連。由此造成了地寄生傳導電感的存在，通常將此電感取為10 pH［9］。

這里特別說明，輸入端和輸出端的匹配電容(C5和C6)在匹配網絡中非常重要，在調試當中只能小范圍內變動，所以在調諧過程中未作變動。在實際調試中，由于作為電感的鍵合線為金絲，通過調整金絲的拱高和根數(shù)等因素來改變電感是很容易的，所以主要對電感進行調諧。根據(jù)前文所述管殼寄生電感和地寄生傳導電感，通過優(yōu)化調諧，最后確定仿真總電路如圖6所示。

圖5 柵極(左)和漏極(右)偏置電路

圖6 仿真總電路

利用晶體管放大器設計微波功率器件時必須要考慮到穩(wěn)定性，器件不穩(wěn)定會導致振蕩，輸出信號達不到器件，所以進行穩(wěn)定性分析很有必要［10-11］。我們一般用穩(wěn)定系數(shù)K來衡量一個器件的穩(wěn)定性，穩(wěn)定系數(shù)K用式(6)和式(7)來表示。

通過圖7可以看出，在器件工作頻段內，穩(wěn)定系數(shù)K大于1，器件為無條件穩(wěn)定。

圖7 器件穩(wěn)定系數(shù)隨頻率變化曲線

2 測試結果

微波功率器件實物如圖8所示，測試夾具實物圖如圖9所示。

本論文對該器件設計主要的用途是國產軍用雷達收發(fā)機功放模塊，所以測試輸入信號采用脈沖信號，脈沖寬度為1 ms，信號周期為10 ms，占空比D為10%。測試條件是:漏極電壓VDS=32 V，柵極電壓VGS=-3.1 V。表2為頻率為2.7 GHz～3.5 GHz時的測試數(shù)據(jù)。其中器件漏極效率(ηD)表達式如式(6)所示:

圖8 微波功率器件實物圖

由測試結果可知:在2.7 GHz～3.5 GHz頻段內，輸入功率達到29 dBm即0.8W時，達到飽和狀態(tài)，輸出功率高于16 W，增益在13 dB以上，漏極效率高于45%。增益平坦度低至0.6 dB。該器件滿足設計指標。

圖9 測試夾具實物圖

表2 微波功率器件測試數(shù)據(jù)

3結論

根據(jù)CREE公司提供的GaN晶體管芯片大信號模型測試得到的晶體管特性確定靜態(tài)工作點，通過負載牽引原理得到晶體管阻抗參數(shù)，確定匹配電路，最后采用四分之波長傳輸線作為高阻抗線作為偏置網絡最重要一環(huán)，成功設計并實現(xiàn)了一款S波段基于GaN的微波功率器件。試驗測試結果表明所設計的器件在2.7 GHz～3.5 GHz內輸出功率大于15W，增益大于13 dB，漏極效率在45%以上，成功在管殼內部實現(xiàn)了匹配和偏置電路。同時也證實了寬禁帶材料GaN器件小型化、超寬帶、高增益以及高效率的特點。

［1］楊斐，周永偉，馬云柱，等.S波段GaN大功率放大器的設計與實現(xiàn)［J］.火控雷達技術，2011，40(3):86-90.

［2］崔浩，羅維玲，龔利鳴，等.一種S頻段GaN功率放大器的研制［J］.空間電子技術，2013，3:28-32.

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

［4］宮為保.寬帶射頻功率放大器的匹配電路設計［J］.廣播電視信息，2010，9:68-70.

［5］邢靖，劉永寧.C波段固態(tài)功放設計和實驗研究［J］.現(xiàn)代雷達，2005，27(6):59-62.

［6］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射頻電路設計——理論與應用［M］.王子宇，張肇儀，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2002:49-61，270-288.

［7］張方迪，張民，葉培大.一種GaN寬禁帶功率放大器的設計［J］.現(xiàn)代電子技術，2010，13:45-47.

［8］張鴻亮.3.1～3.4 GHz 120W功率放大模塊研制［D］.西安.西安電子科技大學，2010.

［9］張夢苑.C波段GaN寬帶功率放大器的研制［D］.上海:復旦大學，2014.

［10］謝曉峰，肖仕偉，沈川.1～2 GHz寬帶GaN功率放大器的設計與實現(xiàn)［J］.微電子學，2013，43(3):325-328.

［11］黃勇，張福洪，李錢贊.基于ADS的功率放大器設計與仿真［J］.現(xiàn)代電子技術，2011，34(15):113-116.

周澤倫(1991-)，男，陜西扶風人，在讀研究生，主要從事射頻微波電路與系統(tǒng)的研究，jason_patrick@126.com;

多新中(1974-)，男，碩士，主要從事射頻微波電路與系統(tǒng)的研究與設計，duoxinzhong@hotmail.com;

王棟(1977-)，男，研究員，主要從事頻率綜合器和接收機的研究與設計，wdlym@sina.com。

Development of S-Band M icrowave Power Devices Using GaN HEM Ts*

ZHOU Zelun，DUO Xinzhong，WANG Dong*

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute，Xi’an 710100，China)

The features and ascendancy of the new semiconductormaterials of third generation are briefly introduced and the design and implementation of a kind of S-band microwave power device accomplished using GaN HEMTS with ultra-wideband and high-efficiency based on microwave simulation software Agilent ADS.The test results show that this device works at both continuous wave and pulse signalmode in the range of 2.7 GHz～3.5 GHz.The saturated output power is over 15W，gain over 13 dB and drain efficiency over 45%.In addition，thematching and bias circuits are placed in the device.It verifies and implements theminiaturization，ultra-wideband，high gain and high-efficiency of GaN MOSFETmicrowave power devices.

GaN;microwave power devices;ADS;ultra-wideband;high-efficiency

C:1320

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.006

TN957.3

:A

:1005－9490(2017)01－0027－06

項目來源:江蘇博普電子科技有限責任公司項目

2016-01-04修改日期:2016-02-01