一種S波段寬帶GaN放大器的設計

摘要：氮化鎵功率管的寬帶隙、高擊穿電場等特點，使其具有帶寬寬，高效特性等優(yōu)點。為了研究GaN功率放大器的特點，使用了Agilent ADS等仿真軟件，進行電路仿真設計，設計制作了一種S波段寬帶GaN功率放大器。詳述了電路仿真過程，并對設計的寬帶GaN功率放大器進行測試，通過測試的實驗數據表明，設計的寬帶放大器在S波段寬帶內可實現功率超過44 dBm的功率輸出，驗證了GaN功率放大器具有寬帶的特點。
關鍵詞：GaN；平坦度；仿真設計；寬禁帶；半導體；功率放大器

0 引言
新一代半導體功率器件主要有SiC場效應晶體管和GaN高電子遷移率晶體管。有別于第一代的Si雙極型功率晶體管和第二代GaAs場效晶體管，新一代SiC和GaN半導體材料具有寬禁帶、高擊穿場強、高功率密度以及抗輻射能力強等優(yōu)點，理論上特別適合應用于高頻、高功率、抗輻射的功率器件的場合。由于具備這些優(yōu)點，寬禁帶半導體功率器件可以明顯提高電子信息系統(tǒng)的性能，廣泛應用于雷達、通信、戰(zhàn)斗機、海洋勘探等重要領域。本文使用Agilent ADS仿真軟件設計實現一款GaN寬帶功率放大器，并對放大器進行了詳細測試，驗證了放大器在S波段2GHz帶寬內的寬帶性能。

1 設計目標
設計一款S波段寬帶放大器，滿足如下指標：
工作頻率：S波段；
工作帶寬：±1 000 MHz；
輸出功率：≥44 dBm；
效率：≥30％。

2 寬帶放大器設計
2．1 功率器材的選擇
為了在S波段2 GHz帶寬內輸出25 W的功率，對射頻功率管有一定的要求：例如低的輸出寄生電容、導通電阻等。常用的硅雙極管由于單管胞輸出功率有限，在高輸出功事下，多管胞合成后的特性不能滿足寬帶設計要求。因此，具有較高功率密度、低導通電阻、低寄生電容、高輸出阻抗的寬禁帶器件是實現該設計的首選。
基于GaN器件的寬帶功率放大器，國外公開的報道已經完成了三代基于管芯的寬帶功放研制。第一代功率放大器采用改進的行波放大器結構，帶寬為1～8 GHz，小信號增益為7 dB，Vds=18 V時輸出功率3．6 W；第二代功率放大器采用LCR匹配，并使用2個Wilkinson合成器實現4路合成，帶寬3～10 GHz，小信號增益是7 dB，在8 GHz處最高輸出功率可達8．5 W，功率附加效率達到20％；第三代功率放大器采用改進的2x2矩陣行波功率放大器結構，帶寬1～6 GHz，輸出功率7．5 W，功率附加效率達到25％。
然而由于寬禁帶固態(tài)器件目前還處于迅速發(fā)展階段，且在軍事及航空航天領域的應用潛力，導致高頻、大功率、管芯等器件還處于禁運狀態(tài)，因此該設計使用的寬禁帶功率管為允許對國內銷售的貨架產品。經綜合比較，選定的器件指標如表1所示。

2．2 ADS射頻仿真
經典的寬帶匹配理論由H·W·Bode發(fā)表于1945年，他應用環(huán)路積分的方法對RC并聯負載計算了匹配網絡的增益帶寬積，證明其小于等于一個常數。其后R·M·Fano，D·C·Youla等人進一步發(fā)展了寬帶匹配理論。然而，在工程應用設計中，設計一個寬帶功率放大器，需要在寬帶匹配理論的基礎上，兼顧其拓撲結構、寬帶匹配網絡和寬帶偏置網絡等；因此，該設計將基于功率匹配的概念，利用大信號下的輸入／輸出阻抗、精確的非線性模型、諧波平衡仿真、負載牽引仿真設計等，實現目標頻段的射頻性能。
在仿真設計過程中，單節(jié)拓撲結構電路因其本身Q值較高，匹配的頻率范圍窄，只有在窄頻范圍內匹配較好，不能用于寬帶匹配。因此，只能利用結構復雜的多節(jié)拓撲結構電路進行匹配，并利用負反饋技術提高穩(wěn)定性和拓展帶寬。多節(jié)匹配電路的特點相對于單節(jié)電路結構復雜，占用幾何空間大，可控變量多，仿真分析需要更多時間，但其優(yōu)點是能夠在更寬的帶寬中尋求更好的匹配設計。
在多支節(jié)匹配網絡中，輸入端各有多段微帶線，每個微帶線有長度和寬度兩個變量，這樣在輸入端和輸出端都有多個可控變量，進行ADS優(yōu)化仿真設計。在阻抗匹配電路的設計時，實際上是通過共軛匹配將要匹配的器件的端口逐漸匹配到50 Ω的特性阻抗上。又因為一般器件的輸入／輸出阻抗在射頻頻段內是隨著頻率的變化而變化的，所以在用分布參數進行電路匹配時，不可能在所要求的頻段內達到完全的匹配，在寬帶要求的情況下，更加難以實現。