一种S波段宽带GaN放大器的设计

摘要：氮化镓功率管的宽带隙、高击穿电场等特点，使其具有带宽宽，高效特性等优点。为了研究GaN功率放大器的特点，使用了Agilent ADS等仿真软件，进行电路仿真设计，设计制作了一种S波段宽带GaN功率放大器。详述了电路仿真过程，并对设计的宽带GaN功率放大器进行测试，通过测试的实验数据表明，设计的宽带放大器在S波段宽带内可实现功率超过44 dBm的功率输出，验证了GaN功率放大器具有宽带的特点。
关键词：GaN；平坦度；仿真设计；宽禁带；半导体；功率放大器

0 引言
    新一代半导体功率器件主要有SiC场效应晶体管和GaN高电子迁移率晶体管。有别于第一代的Si双极型功率晶体管和第二代GaAs场效晶体管，新一代SiC和GaN半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高功率密度以及抗辐射能力强等优点，理论上特别适合应用于高频、高功率、抗辐射的功率器件的场合。由于具备这些优点，宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能，广泛应用于雷达、通信、战斗机、海洋勘探等重要领域。本文使用Agilent ADS仿真软件设计实现一款GaN宽带功率放大器，并对放大器进行了详细测试，验证了放大器在S波段2GHz带宽内的宽带性能。

1 设计目标
    设计一款S波段宽带放大器，满足如下指标：
    工作频率：S波段；
    工作带宽：±1 000 MHz；
    输出功率：≥44 dBm；
    效率：≥30％。

2 宽带放大器设计
2．1 功率器材的选择
    为了在S波段2 GHz带宽内输出25 W的功率，对射频功率管有一定的要求：例如低的输出寄生电容、导通电阻等。常用的硅双极管由于单管胞输出功率有限，在高输出功事下，多管胞合成后的特性不能满足宽带设计要求。因此，具有较高功率密度、低导通电阻、低寄生电容、高输出阻抗的宽禁带器件是实现该设计的首选。
    基于GaN器件的宽带功率放大器，国外公开的报道已经完成了三代基于管芯的宽带功放研制。第一代功率放大器采用改进的行波放大器结构，带宽为1～8 GHz，小信号增益为7 dB，Vds=18 V时输出功率3．6 W；第二代功率放大器采用LCR匹配，并使用2个Wilkinson合成器实现4路合成，带宽3～10 GHz，小信号增益是7 dB，在8 GHz处最高输出功率可达8．5 W，功率附加效率达到20％；第三代功率放大器采用改进的2x2矩阵行波功率放大器结构，带宽1～6 GHz，输出功率7．5 W，功率附加效率达到25％。
    然而由于宽禁带固态器件目前还处于迅速发展阶段，且在军事及航空航天领域的应用潜力，导致高频、大功率、管芯等器件还处于禁运状态，因此该设计使用的宽禁带功率管为允许对国内销售的货架产品。经综合比较，选定的器件指标如表1所示。

2．2 ADS射频仿真
    经典的宽带匹配理论由H·W·Bode发表于1945年，他应用环路积分的方法对RC并联负载计算了匹配网络的增益带宽积，证明其小于等于一个常数。其后R·M·Fano，D·C·Youla等人进一步发展了宽带匹配理论。然而，在工程应用设计中，设计一个宽带功率放大器，需要在宽带匹配理论的基础上，兼顾其拓扑结构、宽带匹配网络和宽带偏置网络等；因此，该设计将基于功率匹配的概念，利用大信号下的输入／输出阻抗、精确的非线性模型、谐波平衡仿真、负载牵引仿真设计等，实现目标频段的射频性能。
    在仿真设计过程中，单节拓扑结构电路因其本身Q值较高，匹配的频率范围窄，只有在窄频范围内匹配较好，不能用于宽带匹配。因此，只能利用结构复杂的多节拓扑结构电路进行匹配，并利用负反馈技术提高稳定性和拓展带宽。多节匹配电路的特点相对于单节电路结构复杂，占用几何空间大，可控变量多，仿真分析需要更多时间，但其优点是能够在更宽的带宽中寻求更好的匹配设计。
    在多支节匹配网络中，输入端各有多段微带线，每个微带线有长度和宽度两个变量，这样在输入端和输出端都有多个可控变量，进行ADS优化仿真设计。在阻抗匹配电路的设计时，实际上是通过共轭匹配将要匹配的器件的端口逐渐匹配到50 Ω的特性阻抗上。又因为一般器件的输入／输出阻抗在射频频段内是随着频率的变化而变化的，所以在用分布参数进行电路匹配时，不可能在所要求的频段内达到完全的匹配，在宽带要求的情况下，更加难以实现。

因此，只能采用一些拓扑结构形式，设计出符合指标的匹配电路，才可以将输入／输出阻抗匹配到50 Ω的特性阻抗上。
    构建的匹配电路仿真模型如图1所示。

    在电路的仿真设计中，对功率管进行静态工作点设置、稳定性分析后，利用负载牵引仿真，确定输出阻抗，再利用原牵引仿真确定输入阻抗。在兼顾功率及效率的情况下，考虑实际馈电电路的影响后，对设计好的宽带匹配电路进行大信号S参数、谐波平衡等仿真优化。通过仿真优化，在S波段2 GHz带宽频带范围内(f1～f9)，仿真结果如图2所示。

    功率管的最高频率点F9附近容性特征比较明显，从仿真图也可以看出，在高频率点F9附近的增益较小。在增加带宽的情况下，损失了一部分的增益和效率。
2．3 制作匹配微带版图
    根据仿真结果，该放大器的匹配电路版图，如图3所示。

2．4 宽带放大器测试
    设计的宽带放大器在S波段2 GHz带宽内的功率输出大于44 dBm，增益大于7．2 dB，带内增益起伏为1．4 dB，达到设计目标。测试结果如表2所示。

    此宽带放大器在确保散热良好的情况下，具有连续波工作能力。脉宽300 μs占空比20％。宽带放大器实物图如图4所示，仪表测试如图5所示。

3 结语
    本文对宽带放大器进行了计算机模拟仿真，详述了电路仿真过程，并对设计的放大器电路进行测试。实验数据表明设计的放大器在S波段2 GHz带宽内可实现功率超过44 dBm的输出，验证了GaN功率放大器的宽带特性。给出了可用于实际设计的方法，对宽带放大器设计实践工作具有一定的帮助。