13～15.5 GHz GaN 20 W高效率功率放大器芯片

金 輝，陶洪琪，余旭明

（南京電子器件研究所 微波毫米波單片集成和模塊電路重點實驗室，江蘇 南京 210016）

0 引 言

近年來，氮化鎵寬禁帶半導體技術在科學和工程領域取得了突飛猛進的發展，其高功率密度、高擊穿電壓、高效率等顯著優點，使得氮化鎵功率放大器芯片相對于傳統的砷化鎵第二代半導體表現出了巨大的優勢。

功率放大器的附加效率越高意味著越多的直流功耗轉化為射頻輸出功率和更低的熱耗產生，對節能減排、系統散熱具有直接的意義。因此對于功率放大器附加效率的追求經久不衰[1-4]。本文基于南京電子器件研究所0.20 μm GaN HEMT工藝，設計了一種寬帶低損耗輸出匹配電路拓撲，實現了一款三級電抗匹配式功率放大器芯片，提高功率放大器的工作帶寬和附加效率。通過將單電容設計為雙電容串聯形式，降低了電場強度，極大地提高了芯片的可靠性。

1 電路設計

圖1為GaN功率放大器原理圖，首先根據輸出功率和輸出匹配電路損耗選擇合適的末級總柵寬，其次根據HEMT管芯的功率增益和級間匹配電路的損耗確定第二級和第一級管芯的總柵寬，最后設計輸入匹配電路，獲得良好的輸入駐波。本文設計了如圖2所示的輸出匹配電路。利用漏極偏置微帶和漏極去耦電容產生的感性阻抗匹配HEMT管芯輸出阻抗的容性阻抗，再通過一級LC（C1、L4）匹配到50 Ω隔直后輸出，具有頻帶寬、損耗低的特點。輸出匹配損耗仿真結果如圖3所示。

功率放大器的匹配是基于負載線匹配而非低噪放和驅動放大器的共軛匹配設計。HEMT管芯最佳輸出功率阻抗和最佳效率阻抗可以通過loadpull測試系統較容易的獲得[5-6]。圖4為末級管芯單胞的最佳輸出功率阻抗、最佳效率阻抗及末級輸出電路設計阻抗位置。設計位置靠近最佳效率點，兼顧功率點。末級輸出電路承受直流和射頻功率最大，可靠性需要仔細設計。通過HFSS有限元仿真，如圖5所示，單電容上下極板的電場強度達到2.02×108V/m，而改為雙電容串聯后，電場強度明顯降為1.43×108V/m，大大提高了芯片的可靠性。

圖1 三級放大器工作原理圖

級間匹配以功率匹配為主，兼顧增益平坦度，輸入匹配以達到較好的輸入駐波為主，兼顧增益平坦度。

2 測試結果

芯片實物及測試夾具照片如圖6所示，尺寸為3 mm×3 mm，柵壓Vg=-2.0 V，漏壓Vd=28 V（100 μs脈寬，10%占空比），在13～15.5 GHz頻帶內，測得輸出功率達到20 W，附加效率＞42%，最高效率達到47%；漏壓連續波測試條件下，功率≥16 W，附加效率＞31%，最高效率達到35%，如圖7所示；線性增益＞30 dB，輸入駐波＜2，如圖8所示。熱臺溫度+70 ℃，直流耗散功率35 W條件下，熱阻典型值1.6 ℃/W。與其他相關產品的比較如表1所示。

圖2 末級輸出匹配電路拓撲圖

圖3 末級輸出匹配電路仿真損耗

圖4 單管胞最佳功率匹配位置、最佳效率匹配位置及輸出匹配電路阻抗位置

圖5 輸出匹配電路HFSS三維電磁仿真結果

圖6 芯片實物照片及裝配后測試夾具

圖7 功率及效率測試結果

圖8 線性增益及小信號駐波測試結果

圖9 熱阻測試紅外圖像

3 結 論

本文基于0.20 μm GaN HEMT工藝設計了一款13～15.5 GHz 20 W功率放大器芯片。設計了一種寬帶低損耗輸出匹配電路，并將電容分為兩個電容串聯的形式，明顯降低了電容上下極板的電場強度。測試結果表明，13～15.5 GHz頻帶內，漏壓100 μs，10%占空比條件下，測得功率達到20 W，效率≥42%，最高效率達到47%。連續波測試功率典型值16 W，附加效率＞31%，最高附加效率達到35%，熱阻典型值1.6 ℃/W，附加效率指標高，為芯片自主可控提供重要保障。

表1 Ku波段GaN功率放大器比較