一种GaN双管芯宽带功率放大器的设计

赵家敏，安士全，张 瑞

(中国电子科技集团公司第38研究所 微波技术部，安徽 合肥 230031)

一种GaN双管芯宽带功率放大器的设计

赵家敏，安士全，张 瑞

(中国电子科技集团公司第38研究所 微波技术部，安徽 合肥 230031)

针对超宽带(1～5 GHz)20 W功率放大器的设计要求，使用了一种可行的实现方法，即采用小信号S参数法对两个Triquint公司的TGF2023-02管芯进行宽带匹配电路设计，并制作了一款宽带功率放大器。测试结果表明，带内增益>10 dB，饱和功率输出20 W，测试数据与仿真结果吻合，验证了此方法的有效性。

TGF2023；宽带匹配；功放；小信号；双管芯

功率放大器是雷达、信息对抗、通讯等发射系统的重要组成部分，随着有源相控阵技术的发展以及多功能射频综合体制的兴起，系统应用中对功率放大器提出了宽带、小型化、低成本、通用性、模块化设计等诸多应用需求[1-4]。近年来兴起的以GaN和SiC为代表的宽禁带功率放大器，以其宽带宽、高功率受到越来越多的关注和应用[5-6]。Triquint公司的GaN管芯覆盖频率DC-18GHz,选取任意频段做匹配电路设计，可设计成通用化、模块化、宽带的功率放大器[7]。

本文针对Triquint公司的TGF2023-02管芯开展宽带电路设计，对并联的两个GaN管芯利用小信号S参数法进行输入输出阻抗的宽带匹配电路设计，设计了一款1～5 GHz的宽带功率放大器，并根据仿真结果进行了实际电路的制作和测试。

1 功放设计方法

功率放大器设计的方法一般分为3种：基于大信号模型的谐波平衡仿真(Harmonic Balance Simulation)设计，基于负载牵引的阻抗匹配电路设计和基于小信号参数的电路仿真[8-9]。谐波平衡仿真需要的大信号模型是基于器件的具体工艺/电参数而建立的非线性模型，是仿真参数、功能齐全的一种仿真；负载牵引方法需要针对特定的器件，利用负载牵引设备测试出源/负载阻抗与输出功率、带宽、效率的曲线后，进行综合设计。这两种设计方法设计精度相对较高，但大信号模型及负载牵引数据一般难以获得，在此情况下，基于小信号参数的仿真设计也不失为一种有效的方法。

小信号参数是入射波和反射波建立的一组线性关系，在微波电路中用来分析和描述网络的输入输出特性。利用小信号参数进行仿真，将电路视为一个四端口网络，在工作点上将电路线性化，通过特定的算法，分析出小信号增益、线性噪声参数、传输阻抗等[6]。

对于双管芯放大器设计，常规采取的方法为输入信号先进行功率分配，再分别送入放大器进行放大，然后将每一路的放大信号进行功率合成。本文区别于常规的设计方法，对双管芯电路不进行输入信号功率分配与放大信号的功率合成，而是将双管芯并联，直接对二者并联后的输入输出进行阻抗匹配设计，以优化增益、驻波参数为目的进行电路设计。

2 双管芯宽带电路设计

Triquint公司的TGF2023-02管芯，在产品手册中给出了漏级电压28 V，静态电流250 mA下的小信号S参数。将功率管的小信号S参数输入到仿真软件ADS(Advanced Design System)[10]，对其增益和输入输出匹配电路进行优化。本文首先依据小信号S参数进行管芯在目标频段内电路稳定性仿真。

2.1 小信号S参数的稳定性仿真

利用TGF2023-02的S4P文件建立S参数仿真模型，在输入信号端加入2 dB衰减器，使双管芯电路设计在目标频段内(1～5 GHz)内稳定，仿真结果如图2所示，稳定因子>1。

图1 稳定性仿真

图2 稳定性仿真结果

2.2 双管芯电路设计

双管芯并联，通过金丝键合使用共同的输入、输出电路，因此在双管芯匹配电路设计时，将双管芯作为一个整体进行仿真，即在ADS的S参数仿真界面上直接对双管芯进行匹配电路设计，进行整体联合仿真，以得到最优的增益参数、驻波参数为目标。

在S参数仿真界面下，选择合适的拓扑结构进行电路匹配设计，根据带宽匹配电路保高放低的原则，选择靠近这条曲线中段偏高频点作为最佳负载匹配点能够在1～5 GHz内较好地达到效率、带宽折中的目的[11-13]。采用微带开短截线、短路短截线进行构建拓扑[14]，使用ADS的OPTIM插件，优化S21、S11指标，根据仿真结果进行匹配电路的调节。整体仿真电路模型如图3所示。

图3 ADS整体仿真模型

在整体电路仿真时，一般采取的步骤为：初始化变量从少至多，然后全频域变量微调[1]；OPTIM优化算法先使用随机优化法(ADS中的Random)找到合适的取值区域，再使用梯度法进行收敛(ADS中的Gradient)；在得到仿真结果后，使用Tuning功能对关键变量进行微调以得到最佳仿真曲线。图4为最终优化仿真曲线，在1～5 GHz，S21>11 dB，2～5 GHz增益起伏1 dB。

图4 最终优化仿真结果

3 实验结果与分析

根据ADS仿真结果生成可加工的印制版图，选择RT5880规格的微带板材制作微带电路，其介电常数为2.2，厚度选择0.254 mm。

电路的仿真基于小信号参数，并未加入偏置电路进行联合仿真。实际使用中，采用栅极串联电阻，漏极高阻抗微带线馈电的方式隔离射频信号对供电电源的影响。为保证射频的隔离，在栅极、漏极馈电加入了电感进行射频厄流。管芯的组装采用防静电微组装工艺，管芯与钼铜载体采用共晶焊接，然后在焊接到铜底板上，两次焊接需采用不同的焊接温度。管芯与微带线的连接使用25 μm的金丝键合。图5为装配好的双管芯功放实物图。

图5 双管芯功率放大器实物图

对电路进行测试，使用矢量网络分析仪进行小信号增益扫描，漏压28 V，栅压-2.8 V，漏极静态电流120 mA，增益扫描结果如图6所示，增益>10 dB，增益曲线与仿真结果曲线图4吻合。进行功率测试，逐渐增大输入功率，观察输出功率的增益压缩情况，在输入功率30 dBm，功率放大器已经饱和，测得放大器的饱和输出功率随频率变化的曲线如图7所示，饱和输出功率20 W，功率起伏<1 dB。

图6 实测电路小信号增益曲线

图7 电路饱和输出功率

4 结束语

本文采用小信号S参数法对两个GaN管芯TGF2023-02进行匹配电路设计，制作了一款1～5 GHz宽频带功率放大器。经测试，增益曲线符合仿真结果，放大器饱和输出功率20 W，验证了设计方法的有效性。本设计为双管芯宽带功率放大器的设计提供了一种可行性方案。

[1] 张瑞,安士全.基于GaN管芯的X波段宽带功率放大器设计[J].中国电子科学研究院学报,2015,10(5):504-508.

[2] Mader T B,Popovic Z B.The transmission-line high-efficiency class-E amplifier[J].IEEE Microwave & Guided Wave Letters,1995,5(9):290-292.

[3] 曹韬,曾荣.基于GaN HEMT器件的宽带高效功率放大器[J].微波学报,2012,28(6):76-79.

[4] 周恩,张兴,吕召彪,等.下一代宽带无线通信OFDM与MMO技术[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[5] 严继进,蔡斐.一种E类高效GaN HEMT功率放大器设计[J].电子科技, 2016,29(2):134-136.

[6] 杨斐,周永伟,马云柱,等.S波段GaN大功率放大器的设计与实现[J].火控雷达技术,2011(3):86-90.

[7] 张文强,年夫顺,宁曰民,等.TGF2023系列场效应管宽带匹配网络设计[C].大连:全国微波毫米波会议,2011.

[8] 祁云飞.基于小信号S参数的功率放大器设计[J].电子科技,2010,23(8):68-69.

[9] 苏斌,谢文楷.小信号S参数法宽带功率放大器的设计[C].青岛:全国微波毫米波会议,2007.

[10] 张家宇,常树茂.基于ADS的功率放大器仿真模型设计[J].电子科技,2016,29(7):136-138.

[11] Saad P,Fager C,Cao H,et al.Design of a highly efficient 2～4 GHz octave bandwidth GaN-HEMT power amplifier[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques,2010,58(7):1677-1685.

[12] 安士全,郭本青,张瑞.一种小型化超宽带功率放大器的设计[J].中国电子科学研究院学报,2014,9(6):639-642.

[13] 殷素杰,杜浩.射频功率放大器的宽带匹配设计[J].无线电工程,2013,43(2):48-51.

[14] 清华大学微带电路编写组.微带电路[M].北京:人民邮电出版社,1976.

Design of Band Power Amplifier Based on Double GaN Broadband HEMT

ZHAO Jiamin,AN Shiquan,ZHANG Rui

(Microwave Technology Division，Microwave Technology Division，The 38th Research Institute of CETC,Hefei 230031,China)

Concerning the design goal of a wideband power amplifier working across 1～5 GHz, this paper proposes an available design methodology: To select the optimal input and output impedance base on small signal S parameter, and realize broadband matching. Based on the methodology, using twoGaN HEMT TGF2023-02 from Triquint, simulation is performed and produced. The measurement results indicate that within 1～5 GHz, Delivered Power is higher than 20W and the small signal gain is higher than 10 dB.Hence, the methodology is well verified.

TGF2023;wideband matching;power amplifier;small signal;two GaN core

2017- 01- 03

国家自然科学基金(61306133)

赵家敏(1985-)，男，博士，工程师。研究方向：宽带功率放大器。安士全(1977-)，男，高级工程师。研究方向：射频前端。张瑞(1977-)，男，高级工程师。研究方向：射频前端。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.003

TN722.7+ 5

A

1007-7820(2017)12-009-03