C波段GaN HEMT内匹配功率放大器

徐 涛，唐厚鹭，王昭笔，曹欢欢

(1.电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610000；2.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

C波段GaN HEMT内匹配功率放大器

徐 涛1，唐厚鹭1，王昭笔1，曹欢欢2

(1.电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610000；2.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

基于通信对功率放大器的宽带和高效率的需求，给出了一款C波段GaN HEMT内匹配功率放大器的设计过程。该器件由2个3 mm栅宽的GaN功率管芯和制作在Al2O3陶瓷基片上的输入输出匹配电路组成。通过调节键合丝和电容，实现了功率放大器在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三个典型工程应用频段的设计，功放在这3个典型工程应用频段内输出功率均大于43 dBm(20 W)，附加效率大于60%，功率增益大于10 dB，充分显示了GaN功率器件宽带、高效率的工作性能。

GaN；HEMT；宽带；高效率；功率放大器

0 引言

射频/微波功率器件在军工和民品领域都有广泛的应用，如通信、雷达、导航和卫星等，其性能好坏直接影响整个设备和系统的性能。GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor，HEMT)凭借其高功率密度、功率附加效率和击穿电压等特点，成为近年来各国微波功率器件研究的重点[1]。无线通信技术取得了迅猛发展，对固态功率放大器的需求日益增多，对产品的性能也提出了更高的要求。如何在保证产品质量的同时，低成本、高效率地完成产品的研制，成为功放研制的一个重点[2]。由于对功放的频段、种类和功率量级的需求越来越多样化，因此经常需研制每个工程频段/每个功率量级的功放，使得设计和投板次数增多，研制周期变长。可见，一个功率放大器若带宽很宽、效率很高，将大大缩短研制周期，并将在国防和军事领域取得更大的应用。

针对多个行业对宽带、高效率功率放大器的迫切需求，本文给出了C波段GaN HEMT宽带、高效率功率放大器的设计过程、测试方法和测试结果。

1 GaN HEMT器件

设计所采用的GaN HEMT管芯是国产自主研制，器件结构如图1所示。首先，用金属有机物化学气相淀积技术(MOCVD)完成SiC外延材料的制作；再采用刻蚀工艺制作台面，实现晶圆芯片有源区与无源区的隔离。栅结构为T型栅，采用离子注入进行台面隔离，形成有源区和布线区[3]。在外延材料上制作SiN绝缘层，栅金属直接蒸发在绝缘层上；利用电子束光刻制作窗口，然后采用电子束蒸发工艺制作Ni/Au栅。为了减小表面态，材料表面采用了氧化工艺，最后通过桥连工艺得到总栅宽为3 mm的功率管芯[4]。

图1 GaN HEMT横截面

2 内匹配电路的设计与实现

2.1 功率放大器设计原理

功率放大器采用传统的“T”型LCL低通滤波网络外加Wilkinson功分/合成进行阻抗变换，并采用2只栅宽为3 mm的0.25 μm工艺的氮化镓功率管进行合成。功率放大器的结构图如图2所示，结合ADS的阻抗牵引工具和提供的功率管模型对所选功率管进行阻抗分析[5]。

图2 GaN功率放大器的结构

输入输出网络中的功分器采用微带结构，在实现阻抗变换的同时实现微波信号的功分输入及功率合成输出。Wilkinson阻抗变换网络输入输出的阻抗变换比越小，该匹配网络能够覆盖的频带越宽。设计的Wilkinson匹配网络通过设计的调试点的调节，能够在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三个频段，实现从50 Ω变换到30 Ω的阻抗变换。介质基板选用氧化铝陶瓷基板，介电常数为9.9，厚度为0.254 mm[6]。

匹配电路采用“T”型LCL低通滤波网络将晶体管的输入输出阻抗转换为实阻抗30 Ω。其中，L通过金丝键合引线来实现。键合引线电感在满足电路匹配的同时，实现器件和微带电路的电气互连[7]。C采用单层陶瓷电容。晶体管的栅极和漏极上用“T”型枝节进行匹配。通过金丝键合引线和单层陶瓷电容的调节，使电路有更好的阻抗变换比和更强的适应性。仿真发现，通过金丝键合引线和单层陶瓷电容的调节，能够在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三个频段将管芯的负载阻抗和源阻抗匹配到30 Ω。直流偏置电路采用1/4波长线与扇形线或对地短路电容相结合的方法实现[8]。

2.2 CAD设计与仿真结果

电路结构、工艺确定后，利用ADS软件设计电路原理图进行仿真优化设计，得到电路各个元件的参考值。但原理图仿真并未考虑版图中器件之间的相互耦合，得到的元件值与实际存在差距。原理图设计完成后，需要对无源部分电路进行版图仿真及替换，以验证电路设计的正确性[9]。可先将功分网络进行单独版图仿真，再和有源器件一起搭建仿真电路拓扑，仿真电路拓扑如图3所示。

图3 功率放大器仿真电路拓扑

图3中，C1和C2为单层陶瓷电容，L1和L2为金丝电感，在版图设计中添加了1/2两排调试点。通过对C1、C2、L1、L2以及1/2的调节，最终的仿真结果分别如图4、图5和图6所示。

仿真结果表明，功率放大器可以在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三个频率范围内饱和输出功率≥20 W，附加效率≥60%，能够达到预期指标。

图4 4.4～5.0 GHz功率和附加效率的仿真结果

图5 5.2～5.9 GHz功率和附加效率的仿真结果

图6 6.0～6.6 GHz功率和附加效率的仿真结果

2.3 电路测试方法

利用成型的微波薄膜混合工艺进行功率放大器的装配，功率管芯和单层陶瓷电容全部采用金锡烧结于管壳内。为确保键合线长度的精确和一致性，利用半自动键合台对键合线的长度和弧度进行控制[10]。功放电路封装后的实物照片如图7所示。

图7 功放实物

建立的微波功率测试系统框图如图8所示。被测器件的输入功率通过耦合器进行实时监测，输出信号经过大功率衰减器进入功率计[11]。

图8 微波功率测试系统

3 微波性能测试

参照ADS的仿真结果以及变化趋势，对C1、C2、L1、L2以及1/2进行调试。经测试，在栅压为-2.3 V、漏压为+28 V工作电压且输入功率统一为33 dBm的情况下，GaN功率放大器在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三个频率范围内的饱和输出功率≥20 W，功率增益≥10 dB，附加效率≥60%，带内功率平坦度<±0.3 dB，显示出良好的性能，实现了功率放大器的可重构设计。3个频段的功率和附加效率随频率的实测曲线分别如图9、图10和图11所示。

图9 4.4～5.0 GHz功率和附加效率的实测曲线

图10 5.2～5.9 GHz功率和附加效率的实测曲线

图11 6.0～6.6 GHz功率和附加效率的实测曲线

最后，对产品进行高低温实验。结温测试、频谱分析等稳定性和可靠性分析显示，该功率放大器性能指标合格，并成功应用在某雷达功率发射组件上，且应用状态良好。

4 结束语

本文从功率放大器的设计理论出发，使用ADS软件进行了功率放大器的设计，测试结果与仿真结果基本一致，同一版图在3个典型工程应用频段内实现了较好的输出功率和较高的功率附加效率。研制的宽带、高效率功率放大器，提高了工作效率，减少了投板次数，缩短了研制周期，具备广阔的工程应用前景。

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徐 涛 男，(1990—)，硕士研究生。主要研究方向：C波段GaN内匹配功率放大器、毫米波TR组件和毫米波电路与系统。

唐厚鹭 男，(1991—)，硕士研究生。主要研究方向：C波段GaN内匹配功率放大器、毫米波电路与系统。

C-band GaN HEMT Internally-matched Power Amplifier

XU Tao1,TANG Hou-lu1,WANG Zhao-bi1,CAO Huan-huan2

(1.InstituteofPhysicalElectronics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,ChengduSichuan610000,China;2.The13thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050051,China)

Based on the requirement of broadband and high efficiency of power amplifier,this paper presents the design process of a C-band GaN HEMT internally-matched power amplifier.The device is composed of two 3 mm gate width GaN HEMT dies and the input and output matching circuit on the Al2O3ceramic substrate.The design of power amplifier in the three typical engineering application frequency bands of 4.4～5.0 GHz,5.2～5.9 GHz and 6.0～6.6 GHz is realized by adjusting the bond wires and capacitances.In these typical engineering application frequency bands,the power amplifier output power is more than 43 dBm (20 W),the power added efficiency is greater than 60%,and the power gain is greater than 10 dB.It fully shows the work performance of the GaN power amplifier with wide bandwidth and high efficiency.

GaN;HEMT;broadband;high efficiency;power amplifier

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.14

徐 涛,唐厚鹭,王昭笔,等.C波段GaN HEMT内匹配功率放大器[J].无线电工程,2017,47(3):54-57.

2016-12-15

TN454

A

1003-3106(2017)03-0054-04