基于多谐波失真的GaN HEMT管芯非线性行为模型研究

黄 丹，钟世昌，徐祖银，成爱强，王 帅

(南京电子器件研究所，江苏 南京210016)

0 引言

随着无线通信技术的高速发展，对无线通信系统中的核心器件功率放大器提出了更高的要求，要求其具有更高的功率和效率[1]。由于在大信号激励条件下，功率放大器工作在非线性区域，产生基波压缩特性、谐波失真和调幅-调相特性等非线性特征，因此传统的小信号S参数分析理论已无法满足目前的大功率器件设计需求，针对大信号工作状态下的功率器件建模技术成为研究热点[2-5]。目前，功率放大器模型主要分为3类：物理模型、紧凑模型和行为模型。行为模型无需获取器件或电路的内部拓扑结构，仅针对输入输出信号的映射关系来生成系统模型，有利于快速获取电路模型，并且可以精确地描述器件的非线性特性和记忆效应[6-12]。

多谐波失真行为(EPHD)模型基于谐波负载牵引系统测试，分析器件的大信号性能，提取出被测器件的非线性行为模型，可以最大程度地揭示被测器件的实际性能，并且弥补GaN大功率功放非线性仿真准确性不足的现状[13-18]。

本文基于多谐波失真行为模型原理，采用MT2000有源谐波时域负载牵引系统对总栅长为1.25 mm的GaN高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)管芯进行在片测试，提取出该管芯的非线性行为模型，并在ADS软件中搭建负载牵引电路，验证了该模型的准确性。本文首先简要介绍了多谐波失真行为模型原理，然后介绍了1.25 mm GaN HEMT管芯的多谐波失真行为模型提取过程，最后给出了该模型在ADS软件中的验证结果。

1 多谐波失真行为模型原理

在大信号激励条件下，功放器件呈现非线性特性，假设非线性功放的输入信号为vin，输出信号为vout，则vin和vout的关系如下：

(1)

式中，k1，k2，k3为系数。

当vin=Acosω0t时，代入式(1)，考虑一个三阶非线性系统，则有：

vout=k1Acosω0t+k2A2cos2ω0t+k3A3cos3ω0t=

(2)

式中，A为输入信号幅度；ω0为角频率。

多谐波失真行为模型是基于非线性系统的大信号激励响应模型，利用大信号测量方法进行非线性系统的分析和模型提取。在建模时，不需要知道被测器件的内部电路，只需要测量被测设备的输入信号和输出响应信号即可，再通过函数建立输入输出的映射关系，具有较好的准确度和简便性。

多谐波失真行为模型通过谐波负载牵引系统测量被测器件各端口基波和各次谐波入射波和反射波的幅度和相位，采用散射函数描述基波和各次谐波反射波与各入射波之间关系，从而表征器件在大信号状态下的的性能。二端口器件入射反射波示意如图1所示。A表示入射波，B表示散射波，m和k分别表示谐波次数。

图1 二端口器件入射反射波示意Fig.1 Schematic of incident and reflected wave of a two-port device

可以用非线性散射函数Fpm(·)来描述入射波和反射波之间的关系，如下：

Bpm=Fpm(A11，A12，…，A21，A22，…),

(3)

式中，p为测试端口号；m为谐波次数。由于该模型可以很好地表征被测件谐波的幅度和相位，对于高效率功放的设计有较好的指导意义。

2 行为模型提取

行为模型的提取首先需要对被测件进行负载牵引测试。负载牵引方法可以通过不断调节源阻抗和负载端阻抗，找到使有源器件获得最佳性能(最佳功率、最佳效率等)时的源阻抗和负载阻抗，可以准确地测量出器件在大信号条件下的最优性能。传统的负载牵引通过在器件输入和输出端加入无源tuner进行阻抗调节，但是存在校准速度和测试速度慢，并且tuner存在一定的损耗，在较大反射系数时无法测量的不足。本文采用的是有源负载牵引，用固放给被测件注入信号达到阻抗调节的目的，有源负载牵引可以使|ГLoad|=1甚至|ГLoad|>1，且校准速度和测量速度都比较快。

本文采用有源非线性时域负载牵引系统进行测试建模，实物和连接示意分别如图2和图3所示。

图2 非线性有源谐波时域负载牵引系统Fig.2 MT2000 nonlinear active harmonic loadpull system

图3 非线性有源时域负载牵引系统连接示意Fig.3 Connection block diagram of the loadpull system

该系统采用有源方式进行阻抗调谐，用固放给被测件注入信号，测量待测器件端面的入射和反射电压波(ax和bx)，从而控制端面的反射系数，达到阻抗调谐的目的。反射系数、输出功率、输入功率和矢量波量的关系下：

(4)

(5)

(6)

该系统在输出端加入了二次谐波负载牵引，同样是有源的方式，用固放在二次谐波频段内给被测件注入信号，在校准时需要加入相位校准，控制端面二次谐波处反射系数的幅度和相位，从而找到被测件最佳效率的值以及达到最佳效率点时的基波和谐波阻抗。

本次测试对象为南京电子器件研究所研制的GaN HEMT管芯，管芯版图如图4所示。该管芯单指栅宽125 μm，总栅宽1.25 mm，在栅极和漏极分别做了GSG接口，供探针扎针测量。

图4 1.25 mm GaN HEMT管芯版图Fig.4 Layout of the 1.25 mm GaN HEMT

为了更快速地找到基波和谐波的最优阻抗位置，首先，只扫描基波阻抗，得到最佳效率点和最佳功率点时的阻抗；然后，固定基波阻抗在最佳效率点处，扫描谐波阻抗，扫描方法为固定谐波反射系数的幅度为0.8，扫描相位，得到最佳效率点时的相位值；最后，固定谐波阻抗在最佳效率点处，同时进行基波和谐波负载牵引，扫描的基波和谐波阻抗范围设置如图5所示。

图5 负载牵引阻抗点示意Fig.5 Screenshot of the sweep impedance of the loadpull

测试频率2.7～3.5 GHz，间隔0.1 GHz一个点，测试的漏电压为60 V，栅电压为-2.6 V，资用输入功率(Pavs)为20～31 dBm，间隔1 dB一个点。测试频率2.7 GHz，输入资用功率28 dBm(此时输入功率20 dBm)时的负载牵引测试的等功率圆和等效率圆结果如图6所示，输出功率和功率附加效率结果如图7所示。

(a) 等功率圆图

(a) 基波输出功率

从结果可以看出，基波最佳功率阻抗点ZL为50×(1.91+j0.7) Ω，最佳效率点的阻抗ZL为50×(2.8+j2.69) Ω，输出二次谐波处最佳效率阻抗点为50×(0.38+j1.49) Ω，输出功率41.72 dBm，功率附加效率68.68%，对比输出端未加二次谐波的负载牵引测试结果，在2.7～3.5 GHz内，本次负载牵引功率附加效率上提升比较明显，有10%左右的提升，输出功率有小幅度的提升，提升量在0.27 dB以内，如图8所示。

图8 输出端加谐波控制与未加谐波控制的输出功率和功率附加效率结果对比Fig.8 Comparison of PL and PAE with and without harmonic control

将2.7～3.5 GHz共9个频点的负载牵引数据通过MT2000中的model generator功能合成得到该管芯的多谐波失真行为模型。

3 行为模型的验证

将提取出的行为模型在ADS软件中进行仿真验证，采用如图9所示的负载牵引仿真原理图，将行为模型数据导入X2P控件中，仿真中设置的漏电压、栅电压、二次谐波阻抗点、源阻抗、负载阻抗扫描范围、输入功率扫描范围、频率扫描范围与测试条件一致。

图9 ADS中负载牵引仿真原理Fig.9 Schematic diagram of the loadpull simulation in ADS

频率2.7 GHz，输入资用功率Pavs=28 dBm时的等功率圆和等附加效率圆仿真结果如图10所示。由图10可以看出，最佳功率阻抗点ZL约为50×(2+j0.7) Ω，最佳效率点的阻抗ZL约为50×(2.75+j2.7) Ω，与测试结果近似相等。2.7，3.1，3.5 GHz三个频点的最佳输出功率阻抗和最佳附加效率阻抗测试和仿真结果对比如表1所示。由表1可以看出，仿真和测试结果具有较好的一致性。

(a) 等功率圆图 (b) 等功率附加效率圆图图10 行为模型在ADS中f= 2.7 GHz,Pavs=28 dBm时负载牵引仿真结果Fig.10 Simulation results of the PHD nonlinear behavior model in ADS when f=2.7 GHz,Pavs=28 dBm

表1 最佳输出功率阻抗点与最佳效率阻抗点对比Tab.1 Comparison of ZL of optimum Pout and PAE

基波输出功率、功率附加效率、二次谐波处的输出功率和输出电流的测试与仿真结果对比如图11所示。圆点是测试结果，实线是ADS中的仿真结果，每一条线对应一个负载阻抗点的结果。由图11可以看出，测试结果与仿真结果一致。因此该行为模型准确地表征了该管芯的非线性性能。

(a) 基波输出功率

4 结束语

本文基于多谐波失真行为模型建模原理，采用MT2000有源谐波时域负载牵引系统对总栅长为1.25 mm的GaN HEMT管芯进行在片有源负载牵引测试，在基波负载牵引的基础上加入输出端二次谐波负载牵引，得到该管芯在漏电压为60 V，栅电压为-2.6 V，资用输入功率(Pavs)为20～31 dBm，频率2.7～3.5 GHz，间隔0.1 GHz一个点，共 9个频点的负载牵引数据，合成行为模型。最后对该模型的准确性在ADS软件中进行了验证，验证结果显示,该模型的最佳功率阻抗点、最佳附加效率阻抗点、基波输出功率、二次谐波输出功率和功率附加效率等仿真结果都与测试结果吻合。在测试频率2.7 GHz，输入资用功率28 dBm时，输出功率41.72 dBm，功率附加效率68.68%，并且与未加谐波控制的测试数据相比，功率附加效率有10%左右的提升，输出功率有0.27 dB以内的提升。因此，该行为模型具有较好的准确性，可以用于指导大功率尤其是高效率GaN HEMT放大器的电路设计。