一种小型化高线性GaN功放器设计

李小春

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)



一种小型化高线性GaN功放器设计

李小春

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

采用ADS软件对一种高线性GaN功率放大器进行匹配电路设计，并制作了一款超小尺寸的高线性放大电路。该电路采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作为基板，放大晶体管选用无封装芯片，在5mm×6mm的小尺寸范围内完成电路制作。制作的小尺寸高线性放大电路实现了在输入双音信号频率为4GHz和4.002GHz、输出总功率为2W时，三阶互调抑制35dBc，功率附加效率35%。

ADS软件；高线性;功率放大器

0 引 言

功率放大器是现代射频通信系统中的关键部件，功率放大器的输出功率、效率以及线性度等会对整个无线系统产生非常重要的影响。在现代雷达通信系统中，处理多载波、变包络的调制信号的末级线性功率放大器起着举足轻重的作用。功率放大器的非线性失真对通信系统的影响很大，其产生的干扰会导致输出信号的相位和幅度发生畸变，造成频谱扩展。频谱作为一种不可再生的自然资源现在已变得日益紧张。因此，射频系统对线性度的要求越来越高。

易匹配、稳定性好、功率高、尺寸小的功放可以给应用带来不少方便，减少设计难度。常用的功放设计技术有微波混合集成电路(MMIC)技术和印制电路板(PCB)技术。MMIC功放尺寸小，研制周期长;PCB功放尺寸大，研制周期短。本文介绍的4GHz高线性功放结合MMIC和PCB的优势，功率管选用无封装芯片，高介电常数瓷片作为基板，用芯片电容和微带线进行匹配电路设计，在5mm×6mm的小尺寸范围内实现了高线性功放的设计。

1 功放设计

1.1 功放原理

放大器的稳定性是放大器设计时需要考虑的一项重要因素，分为无条件稳定和条件稳定2类，通常用Rollet系数来检验。Rollet系数定义为：

(1)

其中：

|Δ|=|S11S22-S12S21|

(2)

当K>1和|Δ|<1同时满足时，放大器是无条件稳定的。

功放的原理图如图1所示。采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作为基板，其相对介电常数为9.9，损耗角正切为0.000 2。仿真用的晶体管模型采用厂家提供的小信号S参数模型。使用Agilent公司的ADS电路系统仿真软件对放大电路进行仿真，通过优化无源器件的值和传输线的参数得到最大增益。仿真增益与频率曲线如图2所示。输入输出驻波与频率曲线如图3所示。

图2 仿真增益与频率仿真曲线

图3 仿真输入输出驻波与频率仿真曲线

1.2 电路版图设计

小型化2W功率放大器采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作为基板，先将功率管芯片和基板烧结到钼铜载体上，再将芯片电容用导电胶粘接到瓷片上进行电路匹配，最后用直径为25μm的金丝通过键合方式实现连接。布线采用的工艺最小线宽、线间距均为100μm，孔直径为200μm。瓷片底部要求高温焊接，通孔采用金属化孔，以保证电导率。图4所示为制作的放大电路实物照片，放大器电路有效面积为5mm×6mm。

图4 放大器实物照片

2 放大器性能

制作的小型化高线性放大器的工作点为漏源电压+28V，栅源电压-1.2V，漏源静态电流为50mA。

在3.7～4.2GHz频段内实测的增益随频率的变化曲线如图5所示。输入输出端口驻波随频率的变化曲线如图6所示。

图5 小信号增益随频率变化曲线

图6 输入/输出驻波随频率变化曲线

经过对比发现，实测结果和仿真结果吻合得比较好。实测的增益比仿真小约0.7dB，主要原因为在真模型中未考虑键合引线的影响，另外还有有源和无源元器件的实际参数与标称参数误差的影响。

放大电路的仿真是基于厂家给出的小信号S参数模型。厂家未给出晶体管放大器的大信号模型，所以未对放大电路进行大信号模式下的三阶互调和功率附加效率仿真。

在输入双音信号频率为4GHz和4.002GHz时，对放大电路的非线性进行了测量。在输出总功率为2W时，三阶互调抑制为35dBc，漏源动态电流为200mA，功率附加效率为35%。

3 结束语

本文采用ADS软件对一种高线性GaN放大器进行匹配电路设计，并制作完成了一款超小尺寸的高线性放大电路。该电路采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作为基板，用芯片电容进行电路匹配，键合引线进行端口连接，在5mm×6mm的小尺寸范围内完成电路设计并实现预期指标。与常规采用封装晶体管及表贴器件进行匹配设计的放大器相比，在性能相当的情况下，极大地缩小了体积，提高了集成度。测试结果表明, 该小型化高线性放大器性能优良,适合于工程应用生产。

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DesignofAMiniaturizationGaNPowerAmplifierwithHighLinearity

LIXiao-chun

(The13thResearchInstitute;ElectronicsTechnologyGroupCorporationofChina,Shijiazhuang050051,China)

ThispaperusesADSsoftwaretodesignamatchingcircuitfortheGaNpoweramplifierwithhighlinearity,andmakesanultra-miniamplifyingcircuitwithhighlinearity.ThecircuitusesAl2O3ceramicof0.254mmthicknessasbasicboard,andtheamplifyingtransistorselectsthechipwithnoencapsulation,thenthecircuitisfabricatedinsmallsizeofonly5mm×6mm.Thefabricatedsmallamplifyingcircuitwithhighlinearityrealizes:third-orderintermodulationrejectionis35dBcandthepoweradditionalefficiencyis35%whentheinputtwo-tonesignalfrequenciesare4GHzand4.002GHzandthetotaloutputpoweris2W.

ADSsoftware；highlinearity;poweramplifier

2016-01-26

TN

B

CN32-1413(2016)03-0118-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.030