GaN管芯射频功率放大器的研究

时间：2021-11-18 19:34:19

关键字： GaN 负载牵引射频功率放大器管芯

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[导读]摘要：给出了一种基于GaN管芯的C波段射频功率放大器的设计方法。该方法采用CREE公司的CGH60120D芯片，并利用ADS软件对管芯模型进行负载牵引，以得到管芯的最佳阻抗值，然后设计管芯的负载匹配电路和直流偏置电路。最后对整个电路系统进行仿真，使其达到预期的功率值。

引言

在通信和雷达系统中，功率放大器是其主要的组成部分,它的性能优劣对整个系统来说，影响巨大。在雷达的主要部件一TR组件设计中，要求高功率和体积小、质量轻、可靠性高、低成本。人们对通信系统的质量和业务范围也要求越来越高。随着半导体工艺的快速发展，电路集成度的迅速提高，人们对微波组件性能的期望值也越来越高。特别是对微波功率放大器，人们总希望其频带越来越宽、功率越来越大、通用性越来越强。GaN材料作为第三代半导体的代表，具有大带宽、高饱和电子漂移速率和高击穿电子强度等显著特点。GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)理论上可以实现更大的输出功率、更高的工作效率以及更高的抗辐照能力，代表固态微波器件的发展方向。以氮化傢(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体射频微波器件必将在雷达、电子对抗、通信系统中取得广泛的应用，而且也将解决航空航天电子设备等方面的难题。

本文采用CREE公司的GaN管芯CGH60120D，采用ADS负载牵引技术设计C波段的微波功率放大器，其发射功率接近100W。

1理论基础

功率放大电路设计包括同时提供准确的有源器件建模、有效的阻抗匹配(依赖于技术要求和工作条件)、工作的稳定性并易于实现等。功率放大器的设计品质的评估是在稳定工作条件下使得放大器级数最少、实现功率增益最大。为了稳定工作，必须计算有源器件潜在的不稳定工作的频域。为了避免寄生振荡，需要讨论不同频率范围(从低频到靠近器件的特性频率)的稳定电路技术。功率放大器的关键参数是它的线性度,这个参数对移动通信应用是非常重要的。另外，功率放大器的其他参数有最大输出功率、效率、1dB压缩点、三阶交调点等。器件的偏置条件决定了工作状态。

2直流仿真

放大器要想工作在正常状态，就必须确定一个静态工作点，通过直流仿真了解功放管的静态工作点，确定如图1所示的、正确的偏置和器件静态IV曲线。

根据CGH60120D的资料显示，该器件典型工作状态下的漏级电压为28V，静态电流为1.219A，图1中，横坐标为漏级电压，纵坐标为电流值，在Vg为28V的不同曲线中找到能够使漏极电流为180mA的点，这时的栅极电压为一2.8V，这样便确定了晶体管的2个供电电压值。

图1直流IV曲线

3稳定性

功率放大电路设计的目的在于在预先估计稳定度并给定输出功率值的情况下，得到最大功率增益和效率。功率放大电路的不稳定性导致不希望的寄生振荡，使得输出信号失真。放大电路不稳定的主要原因之一是通过有源器件的内在电容、内在电感，以及外部电路元件，由输出端正反馈到输入端口。因此，任何功率放大电路，特别是在射频和微波频率，稳定性分析是非常关键的叫图2所示是其电路的稳定因子图。

图2电路稳定因子图

由图2可以看出，在5GHz时,该电路的稳定因子为2.925,大于1,可知此电压下，其电路是稳定的。

4负载牵引

功放的输出功率主要取决于有源器件的负载阻抗，通过改变不同的负载阻抗值，测试功放的性能，这就是负载阻抗牵引。同理改变源阻抗的值来获得功放不同的性能叫做源阻抗牵引。搭建一套实际的负载（源）阻抗牵引系统是很困难而且代价昂贵的，但是随着微波EDA技术的发展，利用软件仿真来实现负载（源）阻抗牵引是很方便的叫用ADS软件中的LoadPull模块对管芯进行负载牵引情况如图3所示。

由图3中可得出其最佳负载阻抗为1.614+j*1.604。下来就可根据阻抗匹配理论，在smithchar对输出共扼匹配，利用微带线完成匹配网络，网络在阻抗圆图上的轨迹如图4所示。