X波段GaN基微波功率放大器的设计

引言

随着无线通讯技术发展的突飞猛进，作为其重要部件的功率放大器的需求也日益增多，频率更高和功率更大的器件已成为目前各国研究的主要热点之一。GaN材料是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，其禁带宽度大、耐高压、耐高温、抗辐射，非常适合制备高频、高压、高温、大功率、抗辐射的新一代微波功率器件和电路。与传统的第一代半导体Si和第二代半导体GaAs相比，GaN材料具有更大的禁带宽度和更高的电子饱和漂移速度，GaN基材料异质结构具有更高的击穿电压和二维电子气浓度，以GaN异质结晶体管为核心元件制备的功率放大器具有更高的工作电压、更大的输出功率和更高的效率，在军用和民用领域有着广阔的应用前景，受到世界各国的高度重视。目前，新一代GaN基微波功率器件和电路的研究已经成为国际上微波功率领域的主要研究热点和重要发展方向，是各国竞相抢占的新的战略技术制高点。

近年来GaN基功率放大器的研究进展很快。在国外,2008年，富士通公司的KazukiyoJoshin等人报道的GaN功率放大器在2.5GHz工作频率下的输出功率为45dBm,线性增益为17.2dB,漏极效率为50%；009年，C.Meliani等人运用4管功率合成技术，在2~10GHz频段下，其小信号增益为7~11dB,输出功率为2.5~4.5W,在最大输出功率情况下,功率附加效率超过20%；010年，Army研究实验室的AliM.Darwishl等人报道了0.1~20GHz的GaN基宽带放大器,增益为(10±2)dB。在国内，2008年，中科院微电子所的曾轩等人采用内匹配功率合成技术设计了基于GaNHEMT的X波段内匹配功率合成放大器，在8GHz测出连续波饱和输出功率达到Psat=40dBm(10W),最大PAE=37.44%,线性增益为9dB[7]；009年，中电13所的顾卫东等人研制的总栅宽为25.3mm的四胞内匹配器件X波段的输出功率达到141.25W,线性增益大于12dB,PAE达到41.4%；010年，南京电子研究所的孙春妹等人研究了内匹配电路的设计，在12GHz时的功率增益大于5dB,功率附加效率为29.07%。

本文运用功率合成技术设计了一种X波段GaN基微波功率放大器，并解决了大功率大栅宽器件功率合成问题和奇模振荡问题。当七s=-3.2V,VDS=6V,1ds=200mA时，在8GHz时的仿真增益为20.80dB,饱和输出功率可达到35.268dBm(约为3.36W)。

1器件制备

本设计所采用的GaNHEMT管芯由笔者所在实验室自主研制，其器件样品设计图如图1所示，其中图1(a)是其结构示意图，该器件的衬底是S1C材料，其热导率比Si和蓝宝石高得多，非常适合做大功率器件的衬底。缓冲层是2.5nm的GaN层，目的是提高上层20nm的1-GaN的生长质量。AlGaN势垒层厚度为25nm,Al组分为0.28,源漏电极采用T1/Al/N1/Au多层金属，栅极为Ni/Au。图1(b)为GaNHEMT器件实物图，该器件栅长0.25um,栅宽10X100um,栅源距1um和栅漏距3um。

(b)实物图

图1  GaNHEMT器件样品设计图

为了获得较好的线性度，设计采用A类功率放大器设计。图2所示是器件的输出和频率特性曲线。其中图2(a)器件输出特性曲线，在么=-2V的饱和电流为Tdsat=495.8mA，使用时可取Vgs=-3.2V，Vds=6V,么=200mA为直流静态工作点。利用网络分析仪对该器件进行小信号测试，并利用S参数得到器件的截止频率/T=26GHz,最高振荡频率fm,=35GHz。可见,该器件具有较好的频率特性，适合在X波段进行功率放大器设计。

2电路设计与仿真结果

本设计从传统的功率放大器着手，同时针对GaNHEMT器件的特点，在X波段对微波单片电路展开了相应的研究。具体设计流程是：首先确定设计目标，根据设计目标选定合适的功率器件，并确定设计功放类型和工作点；然后选择合适的偏置网络和稳定性网络，并进行匹配网络设计;再结合电磁场联合仿真优化电路得到理想的结果；最后完成该功率放大器的版图设计。

图3所示是该放大器的拓扑结构图，整体拓扑结构大致分为输入匹配、输出匹配、级间匹配和偏置四个部分，器件前面加有RC稳定网络，相邻上下器件加有隔离电阻，输入和输出端分别加入一个隔直电容。图中的T1~T6为使用的GaNHEMT晶体管。输入和输出匹配电路的目的分别是将源阻抗和漏阻抗匹配到50Q；级间匹配的主要作用是在不产生明显功

率反射的情况下，将前后两级连接起来。

(a)输出特性曲线

f/GHz

(b)频率特性曲线

图2     器件的输出特性和频率特，性曲线

图3  功率放大器拓扑结构图

当电=-3.2V,Vds=6V,频率为8GHz时，该功率放大器电路稳定因子K曲线如图4所示。根据稳定因子K的仿真结果，在整个频段上,K>1,表明电路绝对稳定。在设计过程中,为了增加电路的稳定性，减小电路发生振荡的可能性，设计时首先在器件输入端增加了并联的RC有耗网络。RC有耗网络可以抵消输入端的负阻，提高整个电路的稳定性。另外，引入的RC网络会增加输入端的插入损耗，所以，电阻R值需要优化，以使得引入的插入损耗最小。然后在树状微带线电

路间并联隔离电阻来压制由于各支路相位不平衡而可能导致的奇模振荡口。图5所示是功率放大器在8GHz时的功率增益和输出功率特性。由图可见，器件在8GHz时的输出功率最大值为35.268dBm（约为3.36W左右）,主要是因为漏电压比较低，所以输出功率比较小，整体达到功率合成的效果。

图4     功率放大器稳定因子K仿真结果

图5     功率放大器在8GHz时的功率增益和输出功率特性

图6所示是上述放大器的设计版图。由于微带线都是采用50Q特征阻抗，版图面积为15mmX8mm,在后续设计中,也可改用其它特征阻抗以缩小版图面积。在版图设计中，首先是布局要尽量合理；其次是微带线的走线，无源元件要和其它元件保持适当距离；再次是在缩小芯片面积的同时，还要考虑无源元件之间、无源元件与有源器件之间的互干扰效应。由于在仿真过程中，对用于匹配设计的无源元件，无论是布局还是微带线长度与布线，都在ADS中进行了电磁场仿真分析,并带入原理图进行了仿真并反复优化，所以，版图与原理图相互对应，从而提高了电路设计的精度。

3 结论

该设计基于本实验室自制的GaNHEMT晶体管，成功设计了X波段两级二推四的功率放大器，同时解决了大功率大栅宽器件功率合成问题和奇模振荡问题。在偏置W-3.2V,，ds=6V,，ds=200mA的情况下，在8GHz时,仿真得到的增益为20.380dB,连续波饱和输出功率可以达到Psat=35.268dBm（约为3.36W）,整体可以达到功率合成的效果。

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