高电子迁移率晶体管功率放大器的设计

文/徐浩然

在功率放大器中，功率晶体管是最重要的组成部件，其中GaN材料因其具备高击穿场强，并且在强场下拥有极高的电子饱和漂移速度的优点，被广泛的应用于高频、高温和高功率领域。在GaN材料中，GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是应用在高频、高压、高温以及大功率方面的首选。本文以GaN基高电子迁移率晶体管为材料，设计了一款宽带平衡功率放大器。

1 GaN HEMT宽带平衡功率放大器设计

1.1 平衡功率放大器

平衡放大器由两个微波管和两个三分贝电桥组成，工作频率范围约为倍频程左右。主要优点是驻波与输入/输出之比良好，噪声系数良好，输出功率比单管放大器高3dB，动态范围倍增，三阶交流电的调制因子提高了6dB。

本文开发的平衡功率放大器的电路结构如图1所示。它由两个独立的放大器组成，这些放大器使用Lange耦合器分别分配和合成输入和输出功率。Lange耦合器本身具有90°的相移，平衡的结构不需要额外的相移元件。

在平衡放大器的输入端，由于放大器的两个独立输入端反射的信号相位相差180度，并且反射信号相抵消，因此理想情况下稳态系数等于到放大器平衡输入端的单元。平衡放大器的输出也是如此。从平衡放大器的输入到输出，入射信号交叉相等的距离，并且在输出端合成功率。

1.2 宽带匹配

图1：S波段平衡功率放大器电路原理图

为了获得宽带匹配，采用了多节点匹配。I/O一致性网络使用具有多个节点的LCL +微带一致性方法，并且输入阻抗较低。在配对过程中，首先将LCL的中间值调整为12欧姆，然后使用两条微带线将其调整为50欧姆。

在具有相对介电常数为9.8且厚度为15密耳的氧化铝陶瓷基板上制作相应的微带线，并且金层的厚度为3μm。直径为25微米的金线用于电气连接，有助于调整电路的阻抗。

1.3 耦合器

Lange耦合器易于使用3dB分离器实现，并且具有倍频程带宽或更宽。本文使用四线Lange耦合器。根据1.2节的分析，在功率放大器的输入端使用特性阻抗为50欧姆的Lange作为功率分配器，在功率放大器的输入端使用特性阻抗为30欧姆的Lange作为合成器。功率放大器的输出。

在铝陶瓷基板上实现了电压为3dB，特性阻抗为50欧姆（εr= 9.8）的4线制法兰：

其中Zoo、Zoe分别为微带线的奇、偶模阻抗，Zo为特征阻抗，K为微带线数。

从C=0.7079，Zo=50， 我 们 知 道R=0.279786，Zoo=5254，Zoe=176.39欧姆。

根据Zoo和Zoe的说法，微带线的尺寸趋势是根据介电常数计算的，S/h=0.07，W/h=0.1。氧化铝陶瓷基板的厚度h=381μm，微带间距S=26.67μm，微带宽度W=38.1μm。微带线的长度：7.73mm。

使用ADS2009Lange模型对仿真进行了优化，最终优化参数为S=28μm，W=32μm，L=9mm。具有30欧姆特征电阻的优化曲线参数：S=22μm，W=136μm，L=8.8mm。当分离器的耦合度从3dB的理想值变为1.5dB时，平衡放大器的能量特性不会显着变化。为了达到所需的带宽，我们采用了一种适应性强的冗余通信方案，即2.4dB的通信度。

1.4 偏置电路

在低频下，通常使用RF电感器。在较高的微波频带中，分布参数的成分通常用作射频电感，例如常用的1/4波长传输线。一条1/4波长的线使用一个并联电容器来达到RF质量。C1和C4为100pF，C2和C5为100μF电解电容器，C3和C6为直通电容器。低频功率放大器的单元稳定性系数K<1。功率放大器容易在低频下振荡并抑制振动。最好的方法是进入并获得稳定的阻力。由于线路阻抗的四分之一波长带宽特性，稳定的电阻在低频范围内有效。接地与输入放大器的晶体集成在一起，以消除负输入电阻，以确保功率放大器的稳定运行和稳定的工作频率范围。

1.5 电路热设计仿真

放大器芯和陶瓷基板（匹配电路）在380℃的刀片上涂有AuSn焊料。基材由AlSiC合金制成，表面镀有金以提高导电性。通过调整的比例，如果和C调节衬底的热膨胀系数，它是接近核心基板的热膨胀系数，损坏的概率，从而降低电路由于膨胀系数的差异时，核心是烧结和放大器是有效的。

2 电路测试与结果分析

2.1 10W功率放大器测试

偏置条件：当输入信号为3.1GHz的脉冲调制信号（脉冲宽度300μs，占空比10%），线性增益时，VDS=28V，IDS=110mA放大器的功率超过12dB，输出端的峰值饱和功率为39.4dBm（8.7W）。PAE为48%。

在1.5至3.5GHz范围内，该放大器的饱和输出功率为39至41dBm（8至12W），漏极效率为56至65%。

GaN HEMT的击穿电压很高。如果正确设置电源电压并增加泄漏电压，则可以增加管道的输出功率。如果漏极偏置电压增加2V，则放大器的饱和输出将增加约0.5dB。测试结果与最近发布的宽带高性能功率放大器的功能进行了比较。比较结果表明，该放大器具有一些优良的特性，并测试了该设计方法的可行性。

2.2 30W功率放大器测试

偏置条件：VDS=28V，IDS=250mA。当输入信号在1.5至3.5Hz范围内为38dBm时，功率放大器将输出功率饱和在43，6-46dBm，增益平坦度小于3dB。废水的效率在30%至65%之间。相应的PAE在25%到58%之间，相对于2.3GHz中心频率的相对带宽为110%。在低频范围（<2.0GHz）中，放大器的输出功率和效率会大大降低。这是因为计算出的负载阻抗匹配频率为3GHz，而在低频下，负载的阻抗会偏离最佳阻抗。

1GHz，1.5GHz，2GHz，2.5GHz，3GHz，3.5GHz时放大器的增益和PAE随输入功率而变化，而1GHz和25GHz是最小增益和最大PAE。当VDS=35V时，输出功率达到46.8dBm，动态系数为8.6dB，放大器的漏极效率超过60%，这表明可以更好地控制放大器的功率。通过调节放大器的漏极电压来输出放大器的输出功率，而导致漏极效率明显降低。另外，随着漏极电压显著降低，AM和PAE的非线性度降低，从而限制了放大器的动态调制范围。

测试结果与最新发布的宽带高效功率放大器性能进行了比较，比较结果表明，该放大器的性能达到了相同的水平，验证了该设计方法的可行性。

3 结语

本文设计了一款宽带平衡功率放大器，由于较好的功率密度和较高的击穿电压，GaN基HEMT被选为电路的功率管。实验测试结果与设计仿真结果有较好一致性，功放性能与近期发表的宽带、高效率功放对比，具有一定的优越性，验证了设计方法的正确性。