低谐波S波段GaN功放设计

刘益萍，曹卫平

(桂林电子科技大学 天线与射频研究中心，广西 桂林 541004)

0 引言

功率放大器作为通信系统中的重要组成部分，被广泛运用在雷达、卫星通信和导航系统等众多领域中[1]。近年来，LDMOS器件物理上已经接近特性极限，而GaN器件从进入市场后技术越发成熟，且产业化发展后其成本也在逐步降低，GaN技术将逐渐取代LDMOS技术[2]。由于具备高功率密度、宽频带、高耐压、输入功率稳定、能减少零件尺寸和数量的优良特性[3]，受到功率放大器和无线基础设施等市场的青睐，成为大功率应用市场的主流技术。高效率的功率放大器能够减少系统发热量，降低系统的散热需求。因此，提高功率放大器的效率一直是功放研究的热点之一[4]。

介绍了一种基于GaN功放管的S波段功率放大器。通过采用谐波抑制技术，功放模块在常态连续波输出功率达5 W时，三阶互调可达-45 dBc，效率达到35%，二阶及三阶谐波抑制度达到-51 dBc。为满足系统结构规划要求，功放结构经过小型化处理，工程实用性极强。

1 谐波抑制技术

谐波抑制技术是通过控制谐波阻抗来调谐功放漏级电压电流，避免漏级电压与电流重叠从而提高功放效率的办法[5]。一方面，能通过引入λmnd/4开路枝节[6]，在m次谐波频率下，经λ/4变换在电路连接点处呈短路特性，从而抑制谐波成分的产生；另一方面，将匹配网络设计成低通结构或者带通结构的形式，也能够对带外的谐波成分产生一定的滤除作用。通过引入谐波抑制技术，能有效减少功放输出信号中的谐波成分，从而减少对其他信道的信号干扰，同时也能够减少分配在谐波成分上的功率值，减少谐波能量损耗[7]从而提高系统效率。

2 功放电路设计

2.1 整体设计思路

功率放大器设计的基本结构框图如图1所示，GaN功放管在给定合适的偏置条件及稳定条件后，通过输入输出匹配网络使电路满足性能指标，为使电路达到低输出谐波要求，在输入输出匹配网络中加入了谐波抑制措施。

图1 功率放大器结构

2.2 偏置电路设计

本设计选用Cree公司[8]的GaN功放管进行设计，设计中需要合适的直流偏置以保证管子正常工作，且最大输出功率能达到指标。同时，GaN采用负压进行栅极电压偏置，整机供电设计中需严格遵守GaN功率管上电掉电时序[9]，以保证管子安全工作。上电时序依次为：加栅极负偏压，加漏级偏压，再加信号；掉电时序依次为：关断信号，关断漏级偏压，最后关断栅极负偏压。

2.3 稳定性分析处理

由于射频放大器内部通常都存在着一定的反馈量S12，而反馈系统必然会引起稳定性问题(如自激振荡)。K值稳定性判别法[10]是一种简洁高效的双端口反馈系统稳定性判别法。双端口网络绝对稳定条件为：

(1)

提高放大器稳定性的办法有中和法和失配法[11]，通过减小管子的反馈强度，使管子趋向单向化。本设计采用中和法，通过在功放管栅极端串入电阻电容，牺牲部分增益来达到增益稳定条件。仿真电路如图2所示，通过在栅极端口前串入100 Ω电阻及3.9 pF的补偿电容，使得系统在宽带范围内满足稳定条件，如图3所示。

图2 稳定性仿真电路

图3 稳定性仿真结果

2.4 负载牵引法选取特性阻抗点

负载牵引法[12]是功放管在大信号电平激励下，通过不断调节输入输出端接的阻抗值，扫描得到器件的功率负载线、效率负载线，从而可以根据需求找到对应的输入输出阻抗。本设计中，将功放管与稳定电路视为整体，通过负载牵引工具[13]，得到负载牵引结果如表1，从中选取最佳效率点对应的输入输出阻抗值进行设计。

表1 负载牵引仿真结果

特性点负载阻抗输入阻抗输出功率/dBm效率/%最大功率点11.21+j8.2734.86+j0.3640.9962.19最佳效率点10.88+j16.697.68-j31.0539.4471.18

2.5 输入输出匹配网络设计

通过负载牵引法确定输入输出阻抗后，需通过共轭匹配的方式进行输入输出阻抗匹配以获得仿真所呈现的工作特性。

功放电路输入信号来自前级线性预放，系统在输出功率接近极限值的情况下，线性预放输出功率接近1 dB压缩点，导致输入末级功放的信号中伴随有部分谐波成分，因此需在功放输出匹配中加入谐波抑制枝节进行谐波抑制。引入谐波抑制技术后，功放整体电路原理图如图4所示。输入输出匹配电路传输特性如图5所示，从输入匹配电路传输特性(图5中S31)、输出匹配电路传输特性(图5中S42)可以看出，匹配电路对二阶及三阶谐波有极大的滤除作用。

图4 功放电路设计原理

图5 输入输出匹配电路传输特性

2.6 联合仿真及仿真结果

根据图4功放电路设计原理图，进行实际的电路搭建。将理想微带线、RLC用微带线、实际阻容感模型替换，并将部分长线弯折以满足结构要求，对电路进行二次优化仿真[14]。优化后得到的电路版图如图6所示。

图6 功放电路版

对电路版图进行Momentum电磁仿真[15]，将功放管与实际的阻容感模型文件[16]代入仿真得到的多端口版图模型文件中进行联合仿真。由于电磁仿真会考虑到微带线之间的耦合效应[17]，联合仿真结果与原理图仿真会存在一定偏差，联合仿真结果将更加接近电路的实际物理特性。联合仿真结果如图7、图8和图9所示。

图7 功放输入输出特性联合仿真结果

图8 功放频率特性联合仿真结果

图9 功放谐波抑制特性联合仿真结果

从联合仿真结果来看，功放模块具有17.5 dB的线性增益，在1 dB点处P1dB=41.6 dBm，此时仍有-35 dBc的二阶谐波抑制度，效率达到61%。通过引入二阶、三阶谐波抑制枝节，提高了功放的谐波抑制能力，同时使得功放呈现出一定的频率选择特性。

3 实测结果及分析

电路板加工调试后，功放部分实物如图10所示，实测特性如图11和图12所示。

图10 功放电路实物

测试结果显示，功放模块有约17.1 dB的线性增益，效率特性与仿真差距不大，但是1 dB压缩点减小，约39 dBm处，此时谐波特性随着增益的压缩急速变差。增益压缩与仿真具有一定差距，原因应该是系统整版依靠金属外壳散热，在输出功率接近极限值时，金属外壳散热结构不足以把功放管产生的大量热量发散出去，导致功放增益提前开始压缩[18]。实测谐波特性较仿真特性更优，且对二次谐波的抑制非常明显。

图11 功放实测输入输出特性

图12 功放实测谐波抑制特性

4 结束语

本文介绍了一种S波段的谐波抑制功放，通过引入谐波抑制枝节，功放模块显示出了优良的谐波抑制特性。由于散热结构非最佳，功放管提前进入增益压缩区，1 dB功率点下降。设计面向实际工程应用，对电路结构亦进行了相应的小型化处理，具备较强的可移植性及一定的市场应用价值。

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