一种40W高效微波功率放大器的设计∗

赵家敏 安 士 全闫超（中国电子科技集团公司第三十八研究所合肥230088）

一种40W高效微波功率放大器的设计∗

赵家敏 安 士 全闫超
（中国电子科技集团公司第三十八研究所合肥230088）

针对高效率功率放大器设计，使用第三代宽禁带半导体，基于ADS仿真软件的负载牵引技术，采用非线性模型设计了一款S波段功率放大器。测试结果表明，在2.2GHz~2.3GHz频段内，输出功率大于40W，功率附加效率大于65%。测试结果与仿真结果吻合，验证了设计方法的有效性。

微波功率放大器；负载牵引；非线性仿真；GaN

Class Num ber TN722

1 引言

功率放大器作为雷达、通信等系统中无线收发系统中最主要的消耗能量单元，提高功率放大器效率在很大程度上能提高整个系统的效率，延长系统的工作时间，简化系统散热装置［1］。因此，高效率一直是功率放大器发展过程中设计人员追求的一个重要指标。与传统基于GaAs的HEMT相比，宽禁带功率放大器有较高的增益、较高的截止频率、较低的源电阻、较高的最大电流密度和较高的基片热导率，这些优点使它们在高频段有较高的器件附加效率和较高的输出功率，因此，高效率放大器的发展一直伴随着宽禁带功率器件的发展［2~3］。

微波功率放大器是无线通信、雷达、电子对抗中的关键器件，主要的作用是将信号放大到一定的功率。微波功率放大器的输出功率和效率是最重要的两个指标。为了提高这两个指标设计人员一般让微波功率放大器工作在非线性状态，因此传统的基于线性理论的小信号放大器设计方法已经不适用［4］。负载牵引是设计微波功率放大器的一种有效的方法，该方法通过不断变化负载阻抗，找到有源器件输出功率最大和效率最高的输出阻抗，根据这些输出阻抗值设计出满足指标要求的功率放大器。微波功率放大器的设计一直存在着设计难度大，调试要求高等问题，主要靠设计人员的经验进行，使用基于ADS仿真软件的负载牵引技术为微波功率放大器的设计提供了一个行之有效的方法。

文中描述了基于EDA技术的微波功率放大器的设计方法，利用新型宽禁带半导体器件CGH40045，使用ADS软件对有源器件进行负载牵引和阻抗匹配，设计了一款S波段高效率功率放大器。

2 宽禁带半导体晶体管

半导体晶体管的发展始终以半导体材料的发展为基础。一般将以Si、Ge等为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料；以GaAs、InP、GaP等为代表的材料称为第二代半导体材料；以SiC、GaN、AlN、ZnO、金刚石为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料。

以Si材料为代表的第一代半导体材料的发展是从20世纪50年代开始，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。20世纪90年代以来第二代半导体材料开始兴起，由于其具有电子迁移率高、电子饱和漂移速度高等特点，适于制备高速和超高速半导体器件，目前基本占领手机制造器件市场。然而要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。传统Si和GaAs半导体器件性能已接近其材料本身决定的理论极限。新发展起来的第三代半导体材料-宽禁带半导体材料（GaN材料）具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场、高热导率、高电子饱和速度、高击穿电压、低介电常数等特点，从理论上保证了其较宽的适用范围［5~7］。

由于GaN材料的特殊性，AlGaN/GaN HEMT器件存在电流崩塌和自加热效应，器件模型不够精确一直是制约AlGaN/GaN HEMT功率放大器发展的瓶颈。随着AlGaN/GaN HEMT功率器件设计技术和制造工艺的不断进步，以及研究者对HEMT器件结构和工作情况理解的逐步加深，研究者逐步完善AlGaN/GaN HEMT小信号以及大信号等效电路模型，在常规等效电路拓扑结构上进行了有效的改进，取得了良好的效果［8~9］。可靠的器件模型为AlGaN/GaN HEMT功率放大器的设计打下了坚实的基础。基于AlGaN/GaN HEMT功率放大器的各种类型的放大器研究迅速展开，工作频率也由单频率逐渐发展到多频段、宽带的水平。

3 电路设计

3.1 直流仿真

本文使用新型宽禁带半导体器件CGH40045设计功率放大器，首先使用直流仿真确定器件的直流工作特性、静态工作点。ADS中直流仿真的模型及IV曲线如图1所示。根据CGH40045的资料和直流仿真曲线，确定功率管的静态工作状态为漏极电压Vd为28V，栅极电压Vg为-2.3V。

3.2 负载牵引

微波功率放大器的输出功率、效率等性能取决于有源器件的负载阻抗，改变负载阻抗会得到不同的输出功率是负载牵引的基本原理。同理，功率放大器的性能还与源阻抗有关，需要进行源牵引。

首先利用ADS对功放进行负载牵引，图2、3分别是负载牵引的模型及仿真结果。在图3中输出功率和效率的等高线上选取比较理想的阻抗值作为初始值，之后进行源牵引。经过输出功率和效率之间进行折中选择，确定最终的输出阻抗为5Ω，输入阻抗为2-j*5，此时仿真得到的功率附加效率为66.9%，输出功率47.2dBm。

3.3 输入输出阻抗匹配设计

在确定好输入输出阻抗后，根据阻抗匹配理论进行输入输出阻抗匹配，由于在S波段比较适合采用分布参数的匹配电路，使用微带开短截线、短路短截线进行拓扑构建［10~12］。图4、图5为输入、输出匹配电路仿真设计。

输入匹配电路最终匹配到1.5+j*5Ω，与源牵引比较理想的输入阻抗2+j*5接近。输出匹配电路最终匹配到4.7Ω，与源牵引比较理想的输入阻抗5Ω接近。

3.4 整体仿真

对输入输出匹配电路设计完成后需要对整体电路性能进行优化仿真，以优化放大器的效率、输出功率、增益、稳定性等各方面性能，确保放大器的实用性。如图6是整体仿真的模型，图7、8、9是优化后的功率附加效率和输出功率的仿真结果。从仿真结果看放大器在2.2GHz~2.3GHz效率大于80%，在输入功率大于30dBm，放大器逐渐饱和，饱和输出功率47dBm。

4 测试分析

根据上述设计，对40W功率放大器进行了投产加工，电路实物图如图10所示。对功率放大器在设计频段内进行了测试，图11是在设计的频率范围内输出功率随输入功率变化曲线，在输入功率大于30dBm，输出功率逐渐饱和，饱和输出功率大于46dBm。图12是经计算各频点的漏极效率曲线，由图可以看出，在设计的100MHz带宽内效率达到了65%，在频带以外，输出功率和漏极效率有所降低，效率也在55%以上，具有良好的性能。测试结果与仿真结果相比，效率和增益有所下降，但总体趋势基本相符，说明仿真设计的有效性。

5 结语

本文基于ADS微波功率放大器的负载牵引技术，利用厂家提供的非线性模型，设计了一款S波段高效率GaN功率放大器，通过实物测试表明，测试数据与仿真结果一致，验证了此设计方法的有效性，为GaN功率放大器设计提供了一种有效的设计方法。

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Design of A High Efficiency Power Am p lifierw ith 40W OutputPower

ZHAN Jiam in AN Shiquan YAN Chao
（No.38 Research Institute，CETC，Hefei 230088）

Concerning the design goalof ahigh efficiency poweramplifier，thispaper proposes an available designmethodolo⁃gy：Based on the Load Pull technology of ADS software，using the third semiconductor ofwide gap，designed an Sband power am⁃p lifier.Themeasurement results indicate thatwithin 2.2GHz~2.3GHz，Delivered Power ishigher than 40W，the efficiency is higher than 65%.Hence，themethodology iswellverified.

power amplifier，load pull，non-linearmodel，GaN

TN722 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.032

2016年11月9日，

2016年11月23日

赵家敏，男，博士，工程师，研究方向：宽带功率放大器。安士全，男，硕士研究生，高级工程师，研究方向：射频前端。闫超，男，硕士研究生，工程师，研究方向：射频前端。