Ku波段20W AlGaN/GaN功率管内匹配技术研究

孙春妹，钟世昌,2，陈堂胜,2，任春江,2，焦 刚,2，陈 辰,2，高 涛

（1.南京电子器件研究所，南京 210016；2.单片集成电路及模块电路国家重点实验室，南京 210016）

1 引言[1～5]

作为制造下一代微波功率器件的材料，GaN材料具有先天的优势，可以很好地满足高温、高频以及大功率器件的性能要求，在卫星通信、雷达以及导弹等民用和军用领域有着广泛的应用前景，是当前半导体技术最重要的发展前沿之一。很多文章已经报道了GaN近年来在L、S、C以及X和Ku波段的大功率输出，这些都是采用增加管芯总栅宽的方法来提高器件的功率输出，这样就使得管芯输入、输出阻抗变得很低，引入线以及管壳寄生参数对性能的影响很大，以至直接采用管壳外的匹配方法无法得到大的功率输出甚至无法工作。解决方法是在管壳内引入内匹配电路，一方面把引线管壳的寄生参数等效为匹配电路元件参数的一部分，消除它的有害影响；另一方面也使管芯的低阻抗与外电路的阻抗匹配，使大功率输出得以实现。因此，研究内匹配技术，发挥GaN晶体管性能上的优势，有非常重要的现实意义，这为以后研制更大功率输出的GaN器件打下了技术基础。

在这篇文章里，我们主要以GaN连续波20W输出的内匹配电路的研制作为例子，研究内匹配电路的设计、合成以及测试，最终研制出的GaN内匹配功率管Ku波段峰值达到21.38W，这是目前国内关于Ku波段GaN功率输出的最高报道。

2 GaN 内匹配电路的设计与实现[6～9]

2.1 GaN器件的选择

研制高效大功率内匹配功率管，选择合适栅宽的功率芯片很重要。我们的研究目标是在Ku波段GaN连续波输出功率达20W。南京电子器件研究所单片集成电路与模块国家级重点实验室研制的1mm管芯在X波段漏偏置50V的条件下有10W/mm的功率密度，考虑到可靠性的需要进行漏压回退，在大栅宽条件下，热效应的积累使小栅宽的功率密度在大栅宽条件下大打折扣，且使功率管芯的击穿电压降低从而无法把大栅宽功率管的漏极电压加到跟小栅宽一样高，造成大栅宽的功率密度的进一步降低。我们按照在30V漏压4W/mm的输出功率计算，输出20W功率的功率器件最小需要选择5mm栅宽的功率芯片。针对目前南京电子器件研究所已经研制出的GaN功率管芯片，决定采用单个5.52mm功率芯片的方案。

图1为5.52mmGaN单芯片的正面照片示意图。它的单指栅宽115μm、栅栅间距为55μm。整个芯片的尺寸为2.7mm×0.6mm×0.1mm，没有通孔结构。

2.2 GaN器件的模型

对单胞1mm GaN管芯进行负载牵引（load-pull）测量，得到其大信号负载阻抗，然后按比例推测出5.52mm GaN栅宽管芯的输出阻抗，作为进行管芯输出端功率匹配设计的依据。采用管芯的小信号模型参数设计输入匹配电路，管芯的小信号模型通过在片测试小栅宽管芯的S参数进行提取。图2为简化的GaN HEMT的电路模型，主要确定Ri、Cgs、Rds和Cds4个参数进行输入和输出匹配电路的设计。针对本项研究的5.52mm栅宽的GaN功率HEMT管芯，最终优化出Ri、Cgs、Rds和Cds的值分别为1.8Ω、13.8pF、17.2Ω和0.7pF。

2.3 GaN内匹配电路的设计

图3为单芯片5.52mm GaN匹配电路示意图。对芯片设计而言，一级L-C-L阻抗变换器把5.52mm GaN HEMT输入阻抗从1.8Ω提升至10Ω，再用一级1/4波长传输线把10 Ω变换至50 Ω。输出匹配网络用一级L-C-L阻抗变换器把输出阻抗从17.2Ω提升至30 Ω，再用一级1/4波长传输线把30 Ω变换至50 Ω。

2.4 GaN内匹配电路的实现

内匹配电路输入输出传输线制作在介电常数为9.8、厚度为380 μm的陶瓷基片上；输入输出匹配电容制作在介电常数为78、厚度180 μ m的陶瓷电容上；匹配电路中的电感采用高Q的金丝来替代。图4为实现的四路合成内匹配电路正面照片。

2.5 GaN内匹配电路的测试

如何使微波测试的实际值与真实值相符合,一个精准的测试盒必不可少。图5是典型的Ku波段大功率测试盒偏置电路原理图，利用该原理图做出来的测试夹具在Ku波段的直通差损小于1dB。

3 内匹配电路的结果

图6为设计的总栅宽5.52mm的内匹配电路，Vds=+30V、Pin=39dBm，在11.8GHz～12.2GHz下的输出功率值，从曲线看出，在整个带内都获得20W以上的输出功率，特别在12GHz获得了21.38W的输出功率、29.07%的PAE以及有5.1dB的饱和功率增益。这是迄今为止国内在Ku波段单个封装报道的最高功率输出。可见其设计方法满足了设计目标，获得了成功。

4 结论

在这项研究里，我们成功地研究了第三代半导体GaN的内匹配问题，并以GaN内匹配电路为例对内匹配电路的设计、合成以及内匹配电路的测试进行了探讨，最终实现了GaN 单胞5.52mm管芯Ku波段20W连续波输出功率的内匹配电路。这对未来研制更大功率输出的GaN器件打下了坚实的技术基础。特别是该项目使用的GaN芯片没有通孔结构，在使用通孔结构后，在Ku波段增益还能再提高1dB以上，PAE也能再提高5%以上。本项研制工作获得了南京电子器件研究所单片电路与应用开发部的大力支持，在此一并感谢。

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