L频段高效功率放大器设计

刘传洋，蓝永海

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314033)

0 引言

随着有源相控阵系统在机载平台的应用，通信对抗系统不断向小型、轻便和节能方向发展，提高功放效率是迫切需要解决的问题。功放效率和半导体功率器件的发展密不可分，GaN高电子迁移率晶体管的诞生，因其具备高击穿场强、高饱和电子漂移速率等性能，使功放效率得到了很大的提高，已广泛应用于雷达和通信等领域［1，2］。

选用了一款高效GaN功率放大器件，为其设计匹配电路，使得该器件在L频段(0.96～1.25 GHz)内满足输出功率大于100 W，效率大于50%。

1 总体设计方案

1.1 功率管的选择

为了实现在 0.96～1.25 GHz频段内输出100 W的功率，对射频功率管有一定的要求。例如导通电阻要小、输出寄生电容要低等。常用的场效应晶体管输出功率有限，效率相对较低，不能满足高效率要求。因此，具有较高功率密度、低导通电阻、低寄生电容和高输出阻抗的宽禁带器件是实现设计的首选［3－5］。

经综合比较，选定CREE公司的GaN功率管CGH40120F，此功率管的P1db输出功率110 W，小信号典型增益20 dB，典型效率达到70%。

1.2 放大器电路设计

设计思路:首先对功率管进行直流分析确定功率管的静态工作电压和工作电流;再利用ADS软件进行仿真，得到输入、输出阻抗匹配电路并对其稳定性加以分析;最后加工印制板、调试及改版。

1.3 直流分析

对功率管进行直流分析的目的是通过功率管的电流－电压(I-V)曲线确定功率管的静态工作电压和电流。选择正确的直流工作点以及适当的直流偏置电路，对获得设计要求的交流特性也是十分重要的。利用ADS软件对该器件进行直流分析的结果如图1所示。根据厂家提供的器件资料及图1中的I-V静态曲线，选取Vds=26 V、Vgs=－2.9 V作为功率管的静态工作点，此时放大器工作在AB类工作状态，在满功率输出时效率较高，线性度也较好［6－8］。

图1 I-V静态曲线

2 关键技术

2.1 时序控制设计

众所周知，GaN器件是负偏置工作器件，漏极和栅极的供电需要一定的时间控制。如图2所示，上电时必须先开启栅极电压Vgs，然后才能开启漏极电压Vds;反之，断电时，先断开漏极电压Vds，然后再断开栅极电压Vgs。

图2 功率管上电断电时序图

很典型地，偏置电压是通过一个1/4波长线引入到射频电路中功率管的电极。在这需要注意的是，漏极上电时，栅极不可以悬空或者接地，否则极易引起类似振荡现象而导致功率管的损坏［9］。

2.2 供电电路设计

在放大器的设计中，其供电及偏置是非常重要的。放大器电路的电源供电和偏置设计不好，将严重影响功放的指标和稳定性。GaN功率管CGH40120F的供电电路设计原则如下:

①反射小，即对主传输线的附加驻波要小;

②引入噪声小，即要求在有高频能量传输的网络中，尽量使用无耗网络，如果实在不能避免则必须要加滤波网络来减小附加噪声的引入;

③附加损耗小，即要求在频带内呈现纯电阻要小，使能量尽可能的沿主线传输到负载，但有耗网络的引入可以改善系统的驻波，因此可以根据具体的设计需要进行取舍。

3 ADS仿真和稳定性分析

3.1 ADS仿真

用ADS仿真设计功率放大器，最理想的情况是器件生产厂家提供大信号情况下的器件模型，而CREE公司恰恰提供了功率管CGH40120F的大信号模型。这样就可以比较准确地进行匹配电路的仿真优化。

匹配电路的设计，实际上是以共轭匹配的方式，将器件的端口阻抗逐渐变换到50 Ω。器件的输入/输出阻抗是随着工作频率变化的，所以在进行阻抗匹配时，不可能在所要求的频段内达到完全的匹配。一般工作频带越宽，阻抗变化越大，匹配电路的设计就越困难。为满足宽带匹配要求，一般都是进行多节的阻抗变换，即在输入端和输出端有多段微带线级联，每个微带线有长度和宽度2个变量［10］。匹配电路仿真模型如图3所示。

图3 匹配电路仿真模型

仿真时既要兼顾功率输出大小又要兼顾效率的高低，此外还要考虑到实际馈电电路的影响。这样就可对设计好的宽带匹配电路进行大信号S参数仿真优化，通过仿真优化，在 L频段(0.96～1.25 GHz)仿真结果如图4所示。

从图4分析得知，功率管CGH40120F输出电路匹配较好，在频率范围为0.96～1.25 GHz内，正向传输增益＞12.8 dB，输出端口驻波＜1.6，说明正向传输很大，反射很小。因此采用节数较多的微带线匹配法结合ADS对设计目标进行优化，减少了人为调试，对功率管匹配网络的实现取得了不错的效果。

图4 功放电路仿真结果

3.2 稳定性分析

稳定性［11］是指放大器抑制环境的变化，维持正常工作的特性的能力，是设计中关键因素之一，它要求设计好的电路稳定输出功率，不自激而且远离自激振荡状态。因此，在放大器阻抗匹配电路设计完成之后必须进行稳定性分析与仿真。

放大器稳定系数随频率的变化曲线如图5所示。可以看出，稳定系数StabFact1﹥1，说明放大器在此频段内无条件稳定。

图5 稳定性曲线

4 仿真的局限性

仿真与实物之间肯定存在或大或小的差异。在本设计过程中，误差的形成主要有以下几个方面:

①参数设置不准确。主要是印制板材的参数不准，如介电常数、板材厚度不均匀，各数值误差范围较大等;

②用S参数提取的数据有误差。尽管在优化过程中尽量使两者的S参数一致，但毕竟不可能完全一样，提取的参数和实际有差别;

③印制板加工过程中引入的误差;

④仿真算法引入的误差。在仿真过程中，各元器件都是用理想元件来计算的，必然与实际有较大的差异［12］。

5 测试结果

根据仿真设计过程，加工了一块该放大器的电路印制板，板材为0.5 mm厚聚四氟乙烯玻璃纤维双面覆铜板。装配好一个模块，经过简单调试后，对该模块进行了测试。测试条件是:连续波工作，漏极Vds=26 V，栅极电压Vgs=－2.9 V。该放大器输出100 W时的效率测试曲线如图6所示，可见在0.96～1.25 GHz频率范围内效率大于50%。

图6 放大器效率测试曲线

6 结束语

给出可用于实际设计的方法和注意事项，对射频电路设计师的实践工作具有一定的帮助。从设计可以看出，GaN大功率器件在宽带和高效率应用中有着非常优异的表现，在L频段(0.96～1.25 GHz)可以达到连续波输出功率100 W，效率大于50%，验证了GaN功率器件的高效率特性。可以预测随着越来越多的新型GaN功率器件的面世，相对传统的双极型晶体管和MOSFET场效应管的优势将更大，从而能更好地满足未来通信对抗系统高效率的要求。

［1］ TIM MCDONALD．GaN功率技术引发电子转换的革命［J］．电源技术应用，2011(1):71 －73．

［2］ 张光义，王炳如．对有源相控阵雷达的一些要求与宽禁带半导体器件的应用［J］.微波学报，2008，24(4):1－4．

［3］ 毕克允，李松法．宽禁带半导体器件的发展［J］．中国电子科学研究院学报，2006，1(1):6－10．

［4］ 张波，邓小川，陆万军，等．宽禁带功率半导体器件技术［J］．电子科技大学学报，2009，38(5):619 －623．

［5］ 赵正平．发展中的 GaN微电子(二)［J］．中国电子科学研究院学报，2011，6(4):353 －357．

［6］ 白晓东．微波晶体管放大器分析与设计(第2版)［M］．北京:清华大学出版社，2003:184－249．

［7］ ROHDE U L，NEWKIRK D P．无线应用射频微波电路设计［M］．北京:电子工业出版社，2004:432－441．

［8］ WEBER R J．微波电路引论－射频与应用技术［M］．北京:电子工业出版社，2005:432－441．

［9］ 顾卫东，蓝永海，王姜铂，等．X波段功率放大器设计［J］．通信对抗，2011(1):50 －53．

［10］马立宪，李民权.LDMOS宽带功率放大器匹配电路设计［J］．电子器件，2011，2(34):176 －178．

［11］陈邦媛．射频通信电路［M］．北京:科学出版社，2002:247－268．

［12］杨贤松．用ADS进行宽带微波功放的仿真设计［J］．通信对抗，2006(1):55－57．