基于负载牵引测试的X波段GaN功放设计

李子文，谢义方，姜亚祥

（1.中国科学院大学 北京100049；2.中国科学院国家空间科学中心 北京100190）

基于负载牵引测试的X波段GaN功放设计

李子文1，2，谢义方2，姜亚祥2

（1.中国科学院大学 北京100049；2.中国科学院国家空间科学中心 北京100190）

文中介绍了X波段GaN功率放大器的设计。通过负载牵引测试的方式找到了GaN器件SGK7785-30A的最佳工作阻抗，并基于该阻抗值完成了电路的匹配设计。文中首先给出了X波段GaN功放的整体设计方案，其次详细介绍了负载牵引测试系统和测量过程中的关键技术，最后介绍了单级电路的设计要点。功放在8.0 GHz连续波情况下，输出30.77 W功率，功率附加效率超过30%，7.9～8.1 GHz范围内增益平坦度小于0.5 dB。

GaN功放；负载牵引；TRL校准件；偏置电路

在卫星对地数传中，随着轨道高度和数传码速率在不断的提高，因而作为数传发射机中的关键部分，功放的输出功率和工作带宽也要随之提高。由于固态功率放大器相对行波管具有体积小、供电简单及成本低等诸多优势，因此在航天型号中得到了广泛应用。目前，X波段星载固态砷化镓放大器无法同时实现高输出功率和高效率，因此行波管放大器（TWTA）仍是大功率放大器的首选。近年来，氮化镓（GaN）放大器技术取得了较大发展[1]。GaN放大管相对GaAs放大管具有高击穿电压、高载流子密度、高饱和速率和良好的SiC衬底热导率等特点合于大功率、高频率以及高温应用场合，在航天应用领域有着非常明显的优势。因此，基于GaN晶体管的高功率星载功率放大器技术引起了国内外航天科研人员的广泛的关注，相关研究旨在实现采用GaN功率放大器替代TWTA。

对于国内外大部分的功率放大器件，厂家均不提供大信号参数模型，即我们无法通过软件对器件进行精准的仿真设计。而负载牵引（Load-Pull）技术，可以通过在不断改变源负载阻抗来找到射频功放功率最大时的阻抗状态[2]，为我们功放设计提供一个新的思路。

1 总体方案设计

图1为X波段GaN功放电路原理框图。功率放大单元由预功放、驱动级功放、主功放及隔离器组成。输入信号在端口输入后，通过多级功率放大，使输出信号满足系统要求。为减小输入调制信号与预功放、主放大器与驱动级放大器之间以及主功放与输出端的影响，使各级功放单元稳定可靠工作，在设计中设置如图所示3只隔离器。三级放大器分别选用Hittite公司的GaAs器件HMC7357，Fujitsu公司的GaAs器件FLM7785-8F和Sumitomo公司的GaN器件SGK7785-30A来完成设计。

图1 X波段GaN功放电路原理框图

2 负载牵引测试

设计射频放大器关键在于对输入输出端口阻抗进行匹配。在小信号状态下，匹配设计是通过对器件小信号S参数仿真而完成的。但在工作大信号状态下时，射频晶体管通常会表现出较强的非线性特性，且大信号S参量与输入功率电平以及输出端负载阻抗有关，不能用器件厂家提供的小信号S参量代替[4]。利用负载牵引技术，可以在厂家没有提供器件大信号S参数的情况下，通过不断改变源和负载阻抗，来搜索功放器件输出功率最大（或效率最高）时的源和负载阻抗，从而完成功放的匹配设计。

图2为负载牵引系统的原理框图。矢量网络分析仪（VNA）输出信号在驱动级放大器（DA）放大后经阻抗调配器（Tuner）、输入偏置网络（BiasTee）、夹具输入端送入待测件，功率放大后的信号经输出偏置网络、阻抗调配器、衰减器后由耦合器耦合回矢网。放大器由直流电源通过偏置网络进行供电。输入、输出端阻抗调配器（Tuner）由配套软件控制，在设定的阻抗范围内，不断对当前源、负载阻抗进行阻抗遍历。同时，根据矢网的输入输出功率、电源的直流数据和驱动放大器增益，并利用专用软件对其进行收集、存储和处理，从而获得器件的阻抗参数和生成具有工程价值的阻抗-功率等值线。

图2 负载牵引系统的原理框图

测试夹具的作用是提供系统的同轴端口到器件管脚的同轴-微带线的转化途径，而这种变化会带来一定的损耗和测量误差，我们需要同时设计配套的TRL校准件来尽量消除这一变化所带来的影响。为获得精准的测试结果，关键在于功放管待测件的测试夹具和配套的设计。

2.1 测试夹具的设计

一般夹具的设计中，微带线阻抗只是简单的设为系统阻抗（50欧姆），但是大部分功放管的输入输出阻抗值很低，这样的阻抗的不连续会在器件管脚出产生很大的反射系数。大的反射系数在两个方面降低测量精度：一是系统中多数器件测量时对信号的反射系数有上限要求，过大的反射系数会使测量误差随之增大，如当反射系数Γ＞0.85时，矢网对阻抗调配器及测试夹具的校准精度变差，测量误差会达到0.5 dB，在高功率情况下这意味着瓦量级的功率浮动；二是由（1）式知，若管脚的反射系数变大，测试夹具和阻抗调配器等器件的损耗也会随之增大[5]。

在测试夹具中设计由50欧姆到低阻抗值的预匹配网络可以减小反射系数。预匹配网络通常采用四分之一波长变换器、多节匹配变换器或渐变传输线设计。

2.2 TRL校准件设计

TRL标准件中包含直通 （Through）、全反射（Reflect）和延迟（Line）标准件。设计中直通标准件通常设置为电气长度为0，即相当于待测件夹具输入输出端直接相连。由于制版工艺限制，很难保证短路件端点刚好接地，反射标准件通常选用开路件，要求所有端口上的反射系数必须相同。延迟线的设计与工作带宽相关，当工作频率带宽跨度与频带起始频率比值大于8时，必须设计1条以上的延迟件，以覆盖整个频率范围。延迟线的长度设置要使相位在20°到160°之间（以避免180°的相位跳变），一般长度选择为中心频率的四分之一波长[6]。

图3为文中的测试夹具以及TRL校准件，由于所选用的GaN器件为内匹配放大器，输入输出阻抗在50欧姆附近，所以测试夹具和校准件的微带线阻抗直接设为50欧姆。

2.3 测试结果

在测试系统按图连接前，利用SOLT校准套件对矢量网络分析仪、偏置网络、阻抗调配器等进行误差校准，以及利用TRL校准件对测试夹具进行校准，以尽量减少测试系统各部件对测试精度的影响。测量中，先给输入端调配器一个预估阻抗初值，保持输入端信号功率，对负载端进行阻抗牵引，找出最大功率值对应的负载阻抗后，将输出端调配器阻抗固定为该值，进行源端阻抗牵引。如此几次反复操作之后将会找到相对精确的最大功率源与负载阻抗值。

GaN功放器件SGK7785-30A的负载牵引阻抗扫描结果如表1所示，输入功率为39 dBm。文中的采用Keysight公司的矢量网络分析仪，Maury公司的阻抗调配器和矢网配套软件。

图3 测试夹具和TRL校准件

表1 负载牵引测试结果

3 单级电路设计

单级GaN功放设计包括阻抗匹配和偏置电路设计。根据不同频率下负载牵引测试的结果，由于同等条件下50欧姆测试的功率均高于45 dBm且效率高于39%，综合设计需求，文中选择50欧姆作为源和负载的匹配阻抗。为了匹配调试的方便，我们在微带线附近设置大量的孤立小焊盘，通过在匹配微带和焊盘之间焊接铜片来调试功放的增益和带宽。

偏置电路的作用是使直流电源能正常的供到器件的栅极和漏极，所以设计上涉及到如何有效扼制微波信号流入供电端以减小信号在放大器中的损耗，和如何滤除电源高频杂波从而防止功放自激震荡问题两个方面。在直流供电引脚旁，选取不同量级的旁路电容和采用RC串联到地的组合形式就能很好地波滤除电源杂波。

在频率低于L波段的情况下，偏置电路阻碍交流功能一般是简单地由一个电感来实现；但当频率到达X波段，阻碍交流功能是由两段四分之一中心频率波长线来实现的。四分之一波长线的原理可由输入阻抗公式（2）可以推出，

其中传输常数β=2π/λ。当终端开路即Zl=∞时，输入阻抗变为公式（3）

其随传输线阻抗变化曲线如图4所示。当传输线长度l=1/4λ时，Zin=0；l=1/2λ时，Zin=∞，也即距开路点二分之一波长的点高频对地开路，若选取此点作为偏置电路到匹配电路的接入点，这样能很好的满足偏置电路的设计要求。

图4 输入阻抗随开路线长度变化

文中选择了图5中所示的扇形开路短截线，其原因如下：一由小反射理论可知，相对于矩形开路线，扇形的阻抗渐进变化会使其频率响应的带宽变宽，即能在更宽的频带内阻碍的微波信号流入偏置电路；二是在性能同样的情况下，采用扇形的形式比矩形更加节省PCB布板面积。图5为GaN单级放大电路结构，设计中我们选用Rogers公司的RO4003C板材，该板材相对介电常数、损耗小、材质均匀稳定，板材厚度选用0.508 mm。去耦电容两供电端均选用22 μF的钽电容和0.1 μF，1nF和100 pF的表贴电容，RC网络采用50欧姆和1nf的串联到地形式。隔直电容选用DLI公司的高Q值低阻产品[16-17]。

图5 GaN单级功放电路及结构

4 测试结果与分析

功放在8.0 GHz连续波工作频率，输入功率6 dBm的情况下，功放的输出功率为30.77 W（44.88 dBm），功放整机PAE为27.28%，GaN单级效率超过30%。通过矢量网络分析仪的频谱测试，如图7可以看到在7.9～8.1 GHz范围内，功放的增益平坦度小于0.5 dB。

功放输出虽满足30 W指标，但距离其理论最大值还有一定差距，据分析主要由以下3点原因：

1）隔离器、隔直电容、微带-同轴过渡段等均存在一定的插损；

2）腔体内部结构与射频电路会形成类似波导的效应，对功放输出功率及带宽产生影响；

3）调试之后残留在微带线上的焊锡会增大微带线损耗。

图6 GaN功放的幅频特性

5 结 论

文中完成了基于负载牵引测试方法的GaN放大器件匹配阻抗选取，并实现了功放设计。由实验结果可得出结论：相较于基于小信号S参数的功放设计，负载牵引测试能更高效、准确地辅助完成功放的设计，并且大量减少了调试工作时间；GaN功放对比于传统的GaAs功放，其输出功率、效率上有着明显的优势。GaN单级测试结果表明，从高输出功率，高效率和小尺寸等方面来考虑，氮化镓放大器在X波段有望替代行波管放大器。

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Design of GaN power amplifier based on load-pull measurement

LI Zi-wen1，2，XIE Yi-fang2，JIANG Ya-xiang2
（1.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2.National Space Science Center CAS，Beijing 100190，China）

This paper introduces the design of X-band GaN power amplifier.By load-pull measurements of GaN devices SGK7785-30A，we found the optimum impedance，based on which we implemented the matching design of the circuit.This paper first shows the overall design of X-band GaN power amplifier，secondly introduces the load-pull measurement system and key technology in the process of measurement in detail，finally introduced the key design points of single-stage circuit.The PA achieves 30.77W output power with the PAE over 30%，while its gain flatness less than 0.5 dB from 7.9～8.1 GHz.

GaN power amplifier；load-pull measurements；TRL calibration Kit；biasing circuits

TN722

：A

：1674－6236（2017）03-0100-04

2016-02-26稿件编号：201602154

李子文（1990—），男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生。研究方向：电磁场与微波技术、射频电路设计。