一种塔台用高压宽脉冲GaN功放设计与实现

蒙燕强

摘要：本文根据塔台用高压宽脉冲功放工作的特点，提出了一种高压宽脉冲功放的设计方法并设计了一款L波段高压宽脉冲GaN功率放大器。采用金属陶瓷管壳和PCB匹配电路相结合的方式，相较于传统的陶瓷匹配电路，有效的减少了趋附效应的影响。放大器在脉宽为10ms、占空比为30%脉冲调制信号输入，Vds=48V时，峰值输出功率>200W，功率增益为15dB，功率附加效率可达67%。

关键词：GaN功放；高压宽脉冲；预匹配

中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0183-02

近年来我国民航业发展速度十分迅猛，国际民航组织关于新航行系统的实施以及空管现代化进程的加快，对空管设备的要求越来越高。作为制造下一代微波功率器件的材料，GaN 材料具有先天的优势，可以很好地满足高温、高频以及大功率器件的性能要求，在新一代塔台管制设备中有着广泛的应用前景，是当前半导体技术最重要的发展前沿之一。随着技术的进步，GaN功率管正向48V甚至更高工作电压更高输出功率的方向发展。对宽脉冲甚至连续波的功放研制提出了更高的要求，宽脉冲功放相较于其它功放有以下特点：

GaN器件在高压工作下输出功率密度高，由于脉冲宽度，占空比的不一样，同样会引起GaN管芯功率电特性的差异，这是因为不同脉冲宽度和占空比下器件自热效应导致的瞬态温升即瞬态热阻也将发生变化。脉宽越宽占空比越大，热阻越大，器件的结温也就越高[1]。为了保证功率管的正常工作，对管芯的散热提出了更高的要求。

GaN功率管在高压宽脉冲条件下工作，对偏置电路上的储能电容提出了更高的要求，储能电容过大会增加器件成本和电路的体积，电容过小会使电源瞬时驱动能力不足，造成脉内功率顶降过大，甚至不能工作。

GaN功率管在高壓宽脉冲条件下工作，输出功率较高，在低频段工作时，导体损耗的影响较大，为了减少电路的损耗，必须合理选择匹配电路的形式。

为了解决以上问题，本文提出了一种大功率宽脉冲功放的设计方法，并利用该方法研制了一款L波段200W高压宽脉冲功放，验证了设计方法的正确性。

1 宽脉冲GaN功率管电路的设计与实现

1.1 GaN管芯装配与散热设计

GaN器件在高压工作下输出功率密度可达6-8W/mm，实际工作中脉宽越宽占空比越大，热阻越大，器件的结温也就越高，为了保证功率管的正常工作，必须考虑管芯的散热问题，GaN功率管芯采用烧结工艺装配在管壳里，有效减少管芯到管壳的热阻，管壳材料要具有很高的热导率，这样有利于管芯产生热量的迅速扩散，防止管芯因为工作结温过高而烧毁。现在国际流行的材料是Cu-Mo-Cu实现的多层金属材料，该材料可以同时满足热膨胀和高导热率的要求，是GaN 功率管芯的管壳材料最佳选择。管壳装配在载体上时在底部涂导热脂来提高整个管壳的散热效率。

1.2 储能电容的计算

储能电容的大小不仅与脉内电流大小有关，还与脉冲宽度和工作电压及脉内顶降有关。假设电路输入的功率为P，储能电容为C，其两端电压为U，则电容存储的能量为W=0.5*C*U2，电路脉冲宽度为τ，脉内上升和下降沿对应电压分别为U1和U2，则有：P*τ=W1- W2=0.5*C*（U12-U22）。

储能电容C=2×P×τ/（ U12- U22），脉冲宽带为10ms，脉内顶降（2ms）0.3dB时对应电压为45V左右，电路效率按照60%计算，输出功率为200W时，所需储能电容为：C=4700uF。

1.3 GaN匹配电路的设计与实现

为了减少的电路导体损耗的影响，采用金属陶瓷管壳和PCB匹配电路相结合的方式，将管芯封装在管壳内，通过将匹配电路设计在PCB电路板上的方式增加电路中导体的厚度，从而避免了传统陶瓷基片匹配导体较薄的缺点，能有效克服电路中导体损耗的影响。为了提高GaN器件的输出功率，可以采用提高器件漏极电压或者提高器件总栅宽的方法，前者要求器件有较高的耐击穿电压，后者增加器件总栅宽使得管芯输入、输出阻抗变得很低，引入线以及管壳寄生参数对性能的影响很大，以至直接采用管壳外的匹配方法无法得到大的功率输出甚至无法工作。解决方法是在管壳内引入内匹配电路，一方面把引线管壳的寄生参数等效为匹配电路元件参数的一部分，消除它的有害影响；另一方面也使管芯的低阻抗与外电路的阻抗匹配，使大功率输出得以实现。

封装到管壳内的管芯，输入端采用L_C_L的匹配方式来提高器件的输入阻抗，减少外接匹配电路的难度。输出端电流较大，为了减少金丝引入电流损耗，直接将管芯通过金丝键合键合到管壳上。匹配电路见图1。

功率管工作频率为：960MHz-1250MHz，考虑到功率管的相对工作带宽超过了30%，相对工作带宽较宽，外部匹配电路采用多阶高低阻抗线变换实现。电路结构、工艺确定后，利用ADS软件设计电路原理图进行仿真优化设计，得到电路各个元件的参考值，但是原理图仿真并未考虑版图中器件之间的相互耦合，得到的元件值与实际是有差距的，原理图设计完成后，需要对无源部分电路进行电磁场仿真以验证电路设计的正确性。

电路仿真采用提取的功率管模型，电路中的管壳，键合金丝和单层电容等无源器件及电路板采用电磁场仿真来提高仿真准确度，电路的最终结构如图2所示，电路的仿真结果见图3，从仿真结果看，整个工作频带内电路的输出功率大于230W，附加效率在70%以上。

匹配电路输入输出PCB板制作在介电常数为10.2、厚度为25mil的电路板上，这样可以有效的减少PCB电路板的面积；匹配电路上导体厚度大于50um，可以有效减少电路导体损耗的影响。

管壳内输入匹配电容制作在陶瓷基片上；匹配电路中的电感采用高Q的金丝来替代。图4为功率管内电路照片。

2 宽脉冲功放的测试

根据前面设计的预匹配电路结构， 制作完成的实际的带预匹配的GaN器件如图5所示。图中器件左侧为输入端， 右侧为输出端， 底座为铜-钼铜法兰。文中在理论分析和EDA仿真的基础上，进一步设计和调试了该功放。搭建微波大功率测试系统。被测器件的输入功率通过耦合器进行实时监测，输出信号经过大功率衰减器进入功率计。测试结果见图5，经测试，Vds=48V时，脉宽10ms，占空比30%，输入功率为39dBm，脉冲峰值输出功率（0.96～1.25GHz）为53.3～53.7dBm，功率附加效率可达67%，实测与仿真结果基本一致。

3 结语

本文提出了一种航管塔台用高压宽脉冲功放的设计方法，根据高压宽脉冲条件下功放的工作特点，合理的选择功率管芯的散热方式，并采用一种简单计算功放所需储能电容的方法，合理的选择电路的储能电容，采用金属陶瓷管壳和PCB匹配电路相结合的方式增加电路中导体的厚度，有效减少电路导体损耗的影响，成功研制了一款L波段高压宽脉冲的功放，实测表明在栅压Vds=48V，脉宽10ms，占空比30%条件下测试，功放脉冲峰值输出功率大于200W，功率附加效率可达67%，从而验证了该设计方法的正确性。

参考文献

[1]任春江，陈堂盛，等.GaN HEMT的温度特性及其应用，固体电子学研究与进展，2008（3）：227-232.

[2]E. Mitani， M. Aojima， S. Sano. A kW-class AlGaN/GaNHEMT Pallet Amplifier for S-band High PowerApplication[J]. Proc. 2nd European Microwave Integrated Circuits Conf，2007：176-179.

[3]Andrei Grebennikov.射频与微波功率放大器设计[M].张玉兴，赵宏飞，译.北京：电子工业出版社，2006.

[4]樊伟.趋肤效应的理论研究与解析计算[J].重庆工贸职业技术学院学报，2014（36）：56-58.