基于GaN宽带管芯的X波段功放设计

汪 灏 马云柱

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

随着微电子技术的发展，传统Si和GaAs半导体器件性能已接近其材料本身决定的理论极限。随着对功放大功率的要求，而GaN的高频，耐压，耐高温，承受功率，远远高于Si，GaSe等第一二代半导体材料。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，在雷达、通信、战斗机、海洋勘探等重要领域拥有很大的应用前景。因此对其特性的了解和应用是目前国内外功放研究的一个方向。

功率放大器是通信、雷达、导航、识别、空间对抗、GPS、3G等各类无线系统中的重要组成部件之一。因此，对于功率放大器的研究和设计有着重要的意义。在设计功率放大器时，选定管芯后，在考虑稳定性的基础上，匹配将最终影响功率放大器的性能。

2 功放的一般设计方法

功放一般工作在大信号情况下，此时器件一般呈现出非线性特性，和小信号S参数 不同。因此应用小信号放大器设计，在最大增益输出设计时，功率不是最大输出功率。

现今功放设计有负载牵引法，小信号S参数法。负载牵引法是利用负载牵引设备，测试管子在均衡效率和功率下牵引出的输入，输出阻抗，或者利用使用器件的非线性模型利用ADS软件进行负载牵引。但是一般负载牵引设备价格昂贵，并且有些厂家基于技术保密不提供管子的非线性模型。因此，小信号S参数法在此基础上虽然不准确但是也是一种很好的方法。小信号S参数应用静态I－V曲线得到输出电阻，然后通过小信号S参数得到寄生参量。从而得到输出阻抗。

本文应用的GaN管芯无非线性模型，也无静态I－V曲线。产品说明给出了在3、6、10、14GHz时的power tuned下的负载反射系数和线性模型小信号S参数。由于文本所设计的功放中心频点10GHz带宽4GHz。通过在10GHz时的power tuned下的负载反射系数和线性模型的寄生参量等效，推出输出阻抗。根据小信号S参数和输出匹配，推出输入阻抗。

3 功放设计思路

一个功率放大器可按如下步骤设计:

a.选择管芯。管芯的增益和最大功率输出应该高于所要设计的功放指标。

b.计算管芯的稳定系数。如果K＞1，则表明是稳定的。如果K＜1，则表明功率在需要的频段内不是无条件稳定的，需要在工作频段置稳。

c.匹配电路设计。先进行输出匹配，将输出阻抗匹配到50Ω。然后对偏置仿真，使偏置扼流效果好，并且对匹配电路影响小。后进行输入匹配，根据衰减——频率特性具有一定斜率特性的阻抗匹配网络进行匹配设计。然后进行输入偏置仿真。

d.平衡式功放仿真。对Lange桥和两个放大器进行整体仿真，得到最后结果。图1为平衡式功放结构。

图1 平衡式功放结构

平衡式功放有如下优点:

a.可以获得平坦的增益，平衡后的放大器输入输出驻波取决于耦合器

b.具有较高的稳定性。

c.如果一个管子失效，放大器功率，增益会下降，但不会完全失效。

d.容易实现级联，每一级和下一级通过3dB耦合器实现较好隔离。

4 电路设计及仿真

本文使用triquintTGF2023－01管芯进行设计。小信号S参数和Psat为37.5dBm下power tuned的反射系数是在馈电Vd=28V，Idq=125mA，Vg=－3.6 V下提供的参数。

4.1 稳定性分析

由于不稳定性起始于小信号电平，因此可以使用小信号S参数检验管芯的稳定性(见图2)。由图3仿真结果可知此管芯在8－12GHz是稳定的。

4.2 输出宽带匹配及输出偏置设计

通过在10GHz时的power tuned下的负载反射系数和线性模型的寄生参量等效，推出输出阻抗。然后进行宽带匹配设计保证输出功率(见图4)。

图4 输出匹配及输出偏置电路

图5 输出仿真结果

由图5仿真结果可知输出|S11|＜－16 dB，|S31|＜－33dB。可知输出匹配满足要求。由图5|S31|＜－33dB可知馈电端和漏极隔离很好，扼流效果明显，保证了最大功率输出。

4.3 输入宽带匹配设计及输入偏置设计

对管芯S参数和输出匹配电路得出输入阻抗。然后根据输入阻抗应用了衰减——频率特性具有一定斜率特性的阻抗匹配网络进行匹配设计。然后进行偏置设置(见图6)。

图6 输入匹配及输入偏置电路

由图7输入仿真可以看出:在加了偏置后|S11| ＜－20dB，|S31|＜－30dB。隔离效果显著。

图7 输入仿真结果

4.4 单个功放仿真电路

图8为功放仿真。由图9仿真结果可以看出:在8－12GHz频段内增益12.5dB。带内平坦。并且栅极，漏极扼流效果很好。由于增益的滚降，所以这里保证增益平坦应用了衰减——频率特性具有一定斜率特性的阻抗匹配网络。必然低频部分反射功率较大。需要定向耦合器进行反射功率的吸收。

图8 功放仿真

图9 仿真结果

4.5 平衡式功放仿真

如图10所示，平衡式功放由两个放大器和两个3dB定向耦合器构成。两个3dB定向耦合器，输入端的是实现功率分配，将输入信号分成功率相等，相位相差90°的两个信号，并且将反射功率吸收，从而降低输入驻波。输出耦合器功能实现功率合成，将两个功率相同，相位相差90°的两个信号合成。同时降低输出驻波。

图10 平衡式功放设计

由图11平衡式仿真结果可以看出，增益平坦度0.5dB。|S11|＜－20dB。输入驻波VSWR＜1.4。

图11 平衡式仿真结果

5 总结

在选定了满足要求的管芯，保证稳定后，功放匹配电路设计成为了功放的重点。匹配电路设计是保证功率和效率，增益的关键。在只有输入，输出阻抗下，我们无法直接观测输出功率，效率，因此对匹配更需要保证其准确性，偏置设计时对匹配的影响尽量小。后面应用lange桥对输入驻波输出驻波进行处理，使驻波减小。综合仿真后，指标效果很好。

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