基于GaN HEMT的S波段小型化内匹配功率管设计

王晓龙 张磊

摘  要：采用总栅宽36 mm的0.5 um工艺GaN HEMT功率管芯，通过合理选择目标阻抗、优化匹配网络，设计了一款包含扼流电路的S波段小型化内匹配功率管。在+48 V、-3.1 V工作电压下，2.7～3.4 GHz内，功率管输出功率≥250 W，功率增益≥12 dB，功率附加效率≥60%，尺寸仅为15 mm×6.6 mm×1.5 mm，重量仅为0.6 g，显示出卓越的性能，具有广泛的工程应用前景。

关键词：功率管;GaN;内匹配;S波段;小型化

中图分类号：TN12        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）02-0052-04

Abstract： Using a 0.5 um process GaN HEMT power tube core with a total gate width of 36 mm， an S-band miniaturized internal matched power tube including choke circuit is designed by reasonably selecting the target impedance and optimizing the matching network. Under the working voltage of+48 V，-3.1 V and within 2.7～3.4 GHz， the output power of power tube is greater than or equal to 250 W， the power gain is greater than or equal to 12 dB， the power added efficiency is greater than or equal to 60%，and the size is only 15 mm×6.6 mm×1.5 mm， weight is only 0.6 g， shows excellent performance and has broad engineering application prospects

Keywords： power tube; GaN; internal matched; S-band; miniaturized

0  引  言

近年來，随着相控阵雷达快速发展、列装以及民用5G无线通信网络的建设，对微波功率器件的小型化、高效率提出了更高的要求。宽禁带半导体GaN微波功率器件高耐压、高功率密度、高效率的特性[1-4]，决定了GaN微波功率器件在相控阵雷达、无线通信等军用和民用微波功率领域具有广泛的应用前景[5-7]。

内匹配功率管是指内部包含所有匹配电路，可直接同50 Ω系统级联的功率管。相较于只在功率管内部做了部分匹配，外部需外加PCB匹配电路的预匹配功率管，内匹配功率管在尺寸和重量上有很大优势。本文设计的内匹配功率管不仅包含输入、输出匹配电路，并且包含输入、输出扼流电路。在2.7～3.4 GHz内，其带内输出功率≥250 W，功率增益≥12 db，功率附加效率≥60%，而体积仅为15 mm× 6.6 mm×1.5 mm，重量仅为0.6 g，显示出很好的性能，工程应用前景广泛。

1  管芯选择

本文选用0.5 um HEMT工艺GaN功率管芯（由中国电子科技集团公司第十三研究所研制），图1为0.5 um HEMT工艺GaN功率管芯纵向结构示意图。GaN HEMT器件利用AlGaN和GaN异质结形成的二维电子气（2DEG），将电子迁移率提升至2 000 cm2/V·s以上，具有优异的射频性能。本文选用的功率管芯采用SiC衬底。SiC衬底热导率高，同GaN的晶格失配和热膨胀系数失配较少，是目前使用最多的方案。

本文选用6.23 mm×0.97 mm的GaN功率管芯，其单指栅宽为450 um，每胞10指，共8胞，总栅宽36 mm。在48 V漏源电压、S波段条件下，其功率密度为8 W/mm，可以满足输出功率大于250 W的要求。图2是36 mm GaN功率管芯的版图。

2  功率管设计

2.1  目标阻抗选取

选定合适的目标阻抗是功率管设计中的关键一步，直接决定了功率管的最终性能。使用谐波平衡仿真器，利用器件的大信号模型，对器件进行源牵引和负载牵引仿真。如表1所示，器件最大功率阻抗和最佳效率阻抗随频率变化并不大，故以中心频率3.05 GHz为典型频率进行阻抗点选取。实际仿真时，设置器件栅压-3.1 V，漏压+48 V，输入功率42 dBm，工作频率3.05 GHz。源牵引结果如图3，可以看到，最大功率阻抗和最佳效率阻抗基本重合，其最大功率阻抗为0.4+j0.7 Ω，最佳效率阻抗为0.98+j0.2 Ω。负载牵引结果如图4，可以看到，最大输出功率为55.7 dBm，其对应阻抗为2.37+j1.28 Ω;最高功率附加效率为75.0%，其对应阻抗为1.72+j3.22 Ω。选取1.0+j0.68 Ω为目标源阻抗，折中选择2.25+j2.3 Ω为目标负载阻抗，开展后续设计，对应增益13.1 db、输出功率55.1 dBm、功率附加效率68.2%。

2.2  匹配网络设计

功率管设计的主要工作是设计匹配网络将50 Ω匹配到目标阻抗。虽然本文采用单管芯方案，但单只GaN功率管芯的长度达到6.23 mm，按照最常用的氧化铝陶瓷基片9.9的介电常数计算，6.23 mm，3.4 GHz对应电长度为69.5，功率管设计过程中仍需考虑功率合成的问题。除了尺寸问题，引入兼具阻抗变化功能的功分匹配网络还能拓展匹配电路带宽，故本文的匹配电路包含两部分：一是在陶瓷基板上实现的功分匹配网络，其兼具阻抗变换功能;二是功率管芯和厘米器之间，由键合金丝和单层电容组成的T型匹配网络。图5是本文所采用的匹配网络结构示意图。

功率管芯可以视为多个管芯单胞的并联，功率管输出功率越大，需要的功率管芯胞数越多，其对应最佳阻抗越低，匹配电路阻抗变换比越大，设计难度越高。为了实现小型化，本文功分匹配网络采用了先功率合成，再阻抗变换的结构。相较于传统功分匹配网络[9]，将1/4波长阻抗变换线根数由两根精简为一根，虽然阻抗变换线宽度会相应变宽，但一根阻抗变换线布局更灵活，图6是两种功分匹配网络的对比图。

经过平面功分器之后，源阻抗被变换到9.7-j16.8 Ω，负载阻抗被变换到7.4+j0.5 Ω，T型匹配网络继续将阻抗匹配到目标阻抗。T型网络中的电感由键合金丝实现，具有Q值高和方便调试的优点。

2.3  扼流电路设计

功率管功分匹配网络中只有一根1/4波长阻抗变化线，布局灵活，使功率管中有足够空间包含输入输出扼流电路。为了减小扼流线对匹配的影响，扼流线宽度尽量窄，以提高额流线的特性阻抗。输出功率大于100 W的S波段内匹配功率管一般采用管壳封装[10，11]，尺寸21.4 mm×17.5 mm× 5 mm，并且需要外接扼流电路。内部集成扼流电路，使本文所设计功率管的小型化优势在实际使用时更加明显。

3  研制结果

3.1  功率管制备

功率管平面功分器采用厚度为0.254 mm的氧化铝陶瓷实现。为了保证散热，GaN功率芯片以及输出侧隔直电容、扼流电容均使用金锡焊料共晶焊接在0.5 mm厚钼铜载片上，其他元器件使用导电胶粘接。如图7为产品照片，产品尺寸15 mm×6.6 mm×1.5 mm，重量0.6 g。

3.2  微波性能

在工作电压48 V、-3.1 V，输入功率42 dBm，0.5 ms/ 10 ms占空比，常温工作条件下，对功率管进行测试，测试结果如图8。可以看到，功率管在2.7～3.4 GHz范围内输出功率≥54.2 dBm，增益波动小于±0.34 dB，频带内功率附加效率≥60%。

表2为本文所设计功率管同国内现有产品的指标对比，可以看到，与现有输出功率大于100 W的功率管相比，本文所设计功率管尺寸明显更小;与同类型、同尺寸功率管相比，本文所设计功率管输出功率更大，且带宽更宽。

3.3  可靠性

为评估功率管可靠性，将功率管焊接在铝盒体内对其进行高低温测试和高温老练，图9为高低温测试盒照片。相较于常温，85℃下，功率管输出功率下降0.4～0.5 dB;-55℃下，功率管输出功率上涨0.3～0.4 dB，且无自激现象。高低温试验后复测常温，功率管指标未见明显变化。85℃下，对功率管进行96小时射频老练，恢复常温后复测，功率管指标未见明显变化。试验结果表明，功率管可靠性满足一般工程使用需求。

4  结  论

采用中国电子科技集团公司第十三研究所研制的GaN HEMT，本文研制了一款48 V工作，在2.7～3.4 GHz输出功率大于250 W，自带输入、输出扼流电流的内匹配功率管，并验证了其可靠性。本文研制的功率管尺寸仅为15 mm×6.6 mm×1.5 mm，重量仅为0.6 g，性能卓越，具有非常广阔的工程应用前景。

参考文献：

[1] RUNTON D W，TRABERT B，SHEALY J B，et al. History of GaN：High-Power RFGallium Nitride （GaN） from Infancy to Manufacturable Process and Beyond [J]. IEEE Microwave Magazine，2013，14（3）：82-93.

[2] LEE S Y，JANG C O，HYUNG J H，et al. High-temperature characteristics of GaNnano-Schottky diodes [J].Physica E：Low-dimensional Systems and Nanostructures，2008，40（10）：3092-3096.

[3] HIGUCHI T，NAKAGOMI S，KOKUBUN Y. Field effect hydrogen sensor device with simple structure based on GaN [J].Sensors and Actuators B：Chemical，2009，140（1）：79-85.

[4] WANG X L，CHEN T S，XIAO H L，et al. An internally-matched GaN HEMTs device with 45.2 Wat8GHz for X-band application [J].Solid-State Electronics，2009，53（3）：332-335.

[5] 蒙燕强.一种塔台用高压宽脉冲GaN功放设计与实现 [J].数字技术与应用，2018，36（1）：183-184+186.

[6] 郭立涛.一种L波段宽带双极化大功率T/R组件的设计与实现 [J].通讯世界，2018（2）：49-50.

[7] 郭庆.C波段GaNMMIC功率芯片在T/R组件中应用验证 [J].微波学报，2020，36（S1）：179-182.

[8] 闻彰.微波GaNHEMT大信号模型参数提取研究 [D].成都：电子科技大学，2018.

[9] 刘荣军，李保林.平面式高功率信号放大器设计 [J].数字技术与应用，2017（3）：207-209.

[10] 王乐乐，钟世昌，谢凌霄，等.S波段GaN内匹配功放管 [J].电子与封装，2017，17（5）：33-36.

[11] 姚实，唐世军，任春江，等.S波段280WGaN内匹配功率管的设计与实现 [J].固体电子学研究与进展，2015，35（4）：321-324+391.

作者简介：王晓龙（1988—），男，漢族，河北大名人，工程师，硕士，研究方向：功率放大器。