基于新一代半导体GaN的高效率功率放大器的研制

郭栋+李梁+窦智童+李超

摘 要： 近年来在无线通信、雷达等领域，对发射的功耗要求越来越苛刻，而产品可放置的空间越来越小，这就要求功率放大器要有更高的效率以及更高的工作结温，新一代宽禁带半导体材料GaN能够满足该要求。基于CREE公司的GaN功放管CGH40045研制了一款S频段的功率放大器，主要进行了功率匹配、散热考虑、杂散抑制的设计。最终的测试结果显示，在300 MHz的带宽内功率增益≥50 dB，饱和输出功率≥46 dBm，工作效率≥50%，比之前采用的工作效率为30%的GaAs功率放大器有了显著的提高。可见在今后的通信系统中，基于新一代半导体材料GaN的功率放大器有着非常好的应用前景。

关键词： GaN； 功率匹配； 高效率功率放大器； 通信系统

中图分类号： TN722.75?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0083?03

Development of high efficiency power?amplifier based on new generation semiconductor GaN

GUO Dong， LI Liang， DOU Zhi?tong， LI Chao

（503th Institute of China Academy of Space Technology， Beijing 100086， China）

Abstract： In recent years， the requirement of power consumption is getting lower， and the space for the power amplifier getting smaller in wireless communication， radar and other fields， which requires the power amplifier to have higher efficiency and higher operating junction temperature. The new generation wide band gap semiconductor material GaN is able to meet the requirements. An S?band power amplifier based on CREE company′s GaN?based power amplifier tube CGH40045 was designed. In the design， power matching， heat dissipation and spurious suppression were considered. Final testing results show that within the bandwidth of 300 MHz， power gain ≥50 dB， saturated output power ≥46 dBm， efficiency ≥50%. The efficiency has been improved more significantly， compared with the previous GaAs power amplifier with 30% efficiency. In future communication systems， the power amplifiers based on the new generation semiconductor materials GaN have a very good application prospect.

Keywords： GaN； power matching； high efficiency power?amplifier； communication system

0 引 言

当前，在射频和微波频段下常用的功率放大器多为基于GaAs材料的HFET和PHEMT器件，但是由于GaAs材料在电性能和热性能上的局限，已经越来越不能满足未来系统的需求。作为下一代微波功率器件的材料，GaN材料异质结构击穿电压高，而且能够产生高浓度的二维电子气（2DEG），并具有很高的电子迁移率，因此能够得到很高的功率输出密度，同时AlGaN/GaN异质结器件能够承受很高的结温，可以很好地满足大功率、高效率、高温等性能要求[1]，在卫星通信、雷达等军事领域有着广泛的应用前景，是当前半导体技术重要的发展前沿之一。

近几年以GaN为基础的微波功率器件的应用取得了很大的进步，如美国的CREE公司和TriQuint公司、日本的东芝公司以及富士通等公司，不断地推出GaN大功率器件。其中TriQuint公司在2008年便推出了Ku频段100 W的GaN芯片[2]，使GaN器件进入了实用阶段。而美国军方也一直在大力扶持GaN器件的发展，目标是将其军事和空间应用的电子器件转向GaN器件。在国内，主要是中电13所和中电55所对GaN器件进行了研制[3?5]，其中中电13所的GaN器件从S波段一直覆盖到Ka波段，产品逐步达到了工程应用的要求。

本文针对某通信系统对功率放大器低功耗、高效率的要求，基于GaN功放管研制了一款S波段40 W饱和输出的功率放大器，主要进行了功率匹配、热设计考虑、杂散抑制等设计，最终测试结果显示在工作带宽内，工作效率≥50%，明显高于该系统之前采用的工作效率为30%的GaAs功率放大器。

1 GaN功率放大器设计方案

功率放大器位于系统的发射机中，将上变频板送入的功率进行放大和滤波，发送到发射天线。该通信系统之前采用的为GaAs功率放大器，随着系统对功耗要求的越来越苛刻，必须采用更高效率的功率放大器，从而使整个系统升级换代。

系统对功率放大器的功能需求有：工作于S频段，带宽为300 MHz；有大功率、小功率、关断三种工作状态；对输入的信号进行功率放大、滤波等处理。

具体的性能要求有：在300 MHz的带宽内功率增益≥50 dB；饱和输出功率≥46 dBm；工作效率≥50%；具有开路和短路保护的功能，具有小功率状态（输出功率为16～25 dBm）工作功能；具有电源关断功能，所有电源可同时关断和开启；在工作带宽外100 MHz处的杂散电平≤-85 dBm/10 MHz。功率放大器的结构尺寸为100 mm×40 mm×25 mm，电源以及控制信号共用一个微矩形接插件，射频信号采用常见的SMA?K形式。环境温度为-45～65 ℃。

根据指标要求，进行功率放大器方案的设计。至少需要三级放大器来满足功率增益≥50 dB的要求，并且末级和驱动级选用高效率的GaN器件，来满足高功率和高效率的要求；在末级功放管输出端接隔离器，隔离度≥25 dB，大大降低负载牵引对末级功放的影响，具有开路和短路保护的功能[6]；设计电源控制电路，分别控制末级功放电源、其余器件电源，从而实现大功率状态、小功率状态、关断状态间的切换；对于带外100 MHz处的杂散电平≤-85 dBm/10 MHz的指标，在驱动级和末级放大器间加入一个低插损的腔体滤波器，使杂散电平满足指标要求。电路原理框图如图1所示。

图1 功率放大器电路原理框图

对于功率状态控制电路，使用两路TTL电平分别控制PMOS管电源开关，从而分别控制末级GaN功率管的漏极电压、其余器件的供电电压。当控制电压为高电平时PMOS管打开，这样就可以通过关闭末级功放管的漏极电压来实现小功率状态，同时关闭其余器件的供电电压时为关断状态，而两路TTL电平都为高时则为大功率状态。在功率控制的同时还要注意GaN功率管需要先加栅极负压，后加漏极的正压。末级功放管电源控制电路原理框图如图2所示。

对于带外100 MHz处的杂散电平≤-85 dBm/10 MHz的指标，需计算腔体滤波器在带外100 MHz处的抑制指标。在带外100 MHz处无组合频率信号输入，白噪声的功率为-104 dBm/10 MHz，输入端到驱动级的增益为40 dB，噪声系数为5 dB，则驱动级输出的白噪声功率约为-59 dBm/10 MHz，此时后面接的腔体滤波器抑制为45 dB以上时，可将白噪声的功率降低到最小的噪底功率-104 dBm/10 MHz，后面末级功放和隔离器的总增益为10 dB，噪声系数为4 dB，则最终在100 MHz处的杂散功率为-90 dBm/10 MHz，满足指标要求。在具体设计时腔体滤波器在带外100 MHz处的抑制设计为50 dB，从而留有余量[7]。

图2 末级功放管电源控制原理框图

2 GaN功率放大器仿真验证

进行完方案设计后，要对关键性能进行仿真验证，保证设计的正确性和准确性。主要包括：末级功放管的匹配仿真、腔体滤波器性能仿真、热仿真。

一般来讲GaN功放管可工作带宽很宽，如CGH40045的工作带宽可达DC～6 GHz，需要在工作频带内进行匹配设计，从而得到较高的功率、增益以及效率。通常使用谐波平衡仿真来得到大信号状态下功放管的仿真结果。仿真图如图3所示，经过仿真可得，末级功放的饱和功率为47.5 dBm，功率增益为10.5 dB，工作效率≥55%。

图3 末级功放管仿真电路图

对于腔体滤波器，除了第1节中计算得到的在带外100 MHz处的抑制设计为50 dB外，其带内的插损还要足够小，从而降低对驱动级功放输出功率的要求，提高整体的效率；此外在带内的驻波也要足够好，使级联驱动级功放和末级功放时不引起自激，并且功率起伏小。此外限制腔体滤波器设计的为尺寸，宽度约为30 mm。腔体滤波器的仿真结果如图4所示。插损为1 dB左右，带内回波损耗≤-15 dB，在带外100 MHz处的抑制≥57 dB。

图4 腔体滤波器仿真曲线

为了尽量减小GaN功放管到屏蔽盒间的热阻，将功放管烧结在屏蔽盒上。对整个功率放大器进行热仿真，如图5所示。图5的环境温度设置为105 ℃，仿真得到末级功放的最高壳温为124 ℃，而末级功放管的热耗为45 W，热阻为1.9 ℃/W，则其结温为210 ℃，相比于其最高结温225 ℃留有余量，保证了长期工作的可靠性。

图5 热仿真结果

3 GaN功率放大器的测试结果

最终功率放大器的实物如图6所示。对功率放大器进行测试，输出功率、工作效率与输入功率的关系见表1。

图6 功率放大器实物

可见输出功率≥46.5 dBm；工作效率≥50%。其他指标测试结果为：在小功率状态输出功率为18～23 dBm，具备开路和短路的保护功能，功率状态控制电路功能正常；在工作带宽外100 MHz处的杂散电平≤-87 dBm/10 MHz，均满足指标要求。

在该系统的前一代设备里使用的是GaAs功率放大器，其工作效率为30%，在使用GaN功率放大器作为末级功放后效率提高至50%，大大地降低了系统的功耗，提高了系统的效率，降低了散热的压力。

表1 功率放大器测试结果

[输入功率 /dBm＼&输出功率 /dBm＼&效率 /%＼&-4＼&46.6＼&50.2＼&-3＼&46.5＼&50.4＼&-2＼&46.7＼&50.5＼&-1＼&46.7＼&50.5＼&0＼&46.8＼&50.6＼&1＼&46.8＼&50.6＼&]

4 结 论

针对通信系统对低功耗越来越苛刻的要求，研制了一款基于GaN功放管的S波段功率放大器，带宽为300 MHz，饱和输出功率≥46 dBm，工作效率≥50%，大大提高了系统的效率，满足了系统低功耗的要求。GaN功放管的带宽宽，输出功率高，可在更高的温度下工作，并且效率高，可大大降低系统的功耗，在通信系统中有着非常好的应用前景，将会逐步替代GaAs功率管而得到广泛的应用。

参考文献

[1] TOMPSON R P， PRUNTY R， KAPER V， et al. Performance of the AlGaN HEMT structure with a gate extension [J]. IEEE Transactions on Electron Devices， 2001， 51（2）： 292?295.

[2] WU Y F， SAXLER A， Moore M， et al. 30W/mm GaN HEMTs by field plate optimization [J]. IEEE Electron Device Letters， 2004， 25（3）： 117?119.

[3] 王帅，陈堂胜，张斌，等.7.5～9.5 GHz AlGaN/GaN HEMT内匹配微波功率管[J].火控雷达技术，2007，27（2）：159?162.

[4] 方建洪，倪峰，冯皓.X波段50 W GaN功放管的应用研究[J].火控雷达技术，2010，30（1）：70?73.

[5] 孙春妹，钟世昌，陈堂胜，等.Ku波段20 W AlGaN/GaN功放管内匹配技术要求[J].电子与封装，2010，39（1）：23?25.

[6] 郑新.微波固态电路[M].2版.北京：电子工业出版社，2006.

[7] 甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京：科学出版社，1973.

表1 功率放大器测试结果

[输入功率 /dBm＼&输出功率 /dBm＼&效率 /%＼&-4＼&46.6＼&50.2＼&-3＼&46.5＼&50.4＼&-2＼&46.7＼&50.5＼&-1＼&46.7＼&50.5＼&0＼&46.8＼&50.6＼&1＼&46.8＼&50.6＼&]

4 结 论

针对通信系统对低功耗越来越苛刻的要求，研制了一款基于GaN功放管的S波段功率放大器，带宽为300 MHz，饱和输出功率≥46 dBm，工作效率≥50%，大大提高了系统的效率，满足了系统低功耗的要求。GaN功放管的带宽宽，输出功率高，可在更高的温度下工作，并且效率高，可大大降低系统的功耗，在通信系统中有着非常好的应用前景，将会逐步替代GaAs功率管而得到广泛的应用。

参考文献

[1] TOMPSON R P， PRUNTY R， KAPER V， et al. Performance of the AlGaN HEMT structure with a gate extension [J]. IEEE Transactions on Electron Devices， 2001， 51（2）： 292?295.

[2] WU Y F， SAXLER A， Moore M， et al. 30W/mm GaN HEMTs by field plate optimization [J]. IEEE Electron Device Letters， 2004， 25（3）： 117?119.

[3] 王帅，陈堂胜，张斌，等.7.5～9.5 GHz AlGaN/GaN HEMT内匹配微波功率管[J].火控雷达技术，2007，27（2）：159?162.

[4] 方建洪，倪峰，冯皓.X波段50 W GaN功放管的应用研究[J].火控雷达技术，2010，30（1）：70?73.

[5] 孙春妹，钟世昌，陈堂胜，等.Ku波段20 W AlGaN/GaN功放管内匹配技术要求[J].电子与封装，2010，39（1）：23?25.

[6] 郑新.微波固态电路[M].2版.北京：电子工业出版社，2006.

[7] 甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京：科学出版社，1973.

表1 功率放大器测试结果

[输入功率 /dBm＼&输出功率 /dBm＼&效率 /%＼&-4＼&46.6＼&50.2＼&-3＼&46.5＼&50.4＼&-2＼&46.7＼&50.5＼&-1＼&46.7＼&50.5＼&0＼&46.8＼&50.6＼&1＼&46.8＼&50.6＼&]

4 结 论

针对通信系统对低功耗越来越苛刻的要求，研制了一款基于GaN功放管的S波段功率放大器，带宽为300 MHz，饱和输出功率≥46 dBm，工作效率≥50%，大大提高了系统的效率，满足了系统低功耗的要求。GaN功放管的带宽宽，输出功率高，可在更高的温度下工作，并且效率高，可大大降低系统的功耗，在通信系统中有着非常好的应用前景，将会逐步替代GaAs功率管而得到广泛的应用。

参考文献

[1] TOMPSON R P， PRUNTY R， KAPER V， et al. Performance of the AlGaN HEMT structure with a gate extension [J]. IEEE Transactions on Electron Devices， 2001， 51（2）： 292?295.

[2] WU Y F， SAXLER A， Moore M， et al. 30W/mm GaN HEMTs by field plate optimization [J]. IEEE Electron Device Letters， 2004， 25（3）： 117?119.

[3] 王帅，陈堂胜，张斌，等.7.5～9.5 GHz AlGaN/GaN HEMT内匹配微波功率管[J].火控雷达技术，2007，27（2）：159?162.

[4] 方建洪，倪峰，冯皓.X波段50 W GaN功放管的应用研究[J].火控雷达技术，2010，30（1）：70?73.

[5] 孙春妹，钟世昌，陈堂胜，等.Ku波段20 W AlGaN/GaN功放管内匹配技术要求[J].电子与封装，2010，39（1）：23?25.

[6] 郑新.微波固态电路[M].2版.北京：电子工业出版社，2006.

[7] 甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京：科学出版社，1973.