S波段GaN微波功率器件的研制*

周泽伦，多新中，王栋

(西安电子工程研究所，西安710100)

S波段GaN微波功率器件的研制*

周泽伦，多新中，王栋*

(西安电子工程研究所，西安710100)

简要介绍了第3代新型半导体材料GaN的特点和优势，基于Agilent ADS微波仿真软件设计并实现了一款工作于S波段基于GaN的高效超宽带微波功率器件。测试结果表明，该器件适用于2.7 GHz～3.5 GHz的超宽带，连续波和脉冲制式均可工作，在饱和状态下，输出功率大于15W，增益达到13 dB，漏极效率超过45%，并在管壳内部实现了匹配和偏置电路，对GaN MOSFET微波功率器件小型化、超宽带、高增益和高效率的优异性能得以验证和实现。

GaN;微波功率器件;ADS;超宽带;高效率

电子对抗、雷达、探测等重要的通信系统快速发展，固态微波宽带功率器件被广泛应用、需求不断增加，通信系统对其小型化、超宽带、高增益以及高效率的关键技术要求与日俱增。基于国家安全、通信需求、经济效益等因素的考虑，研究开发出相关设备所用的更高性能的微波功率器件成为迫切需要解决的问题。

高热导率、低漏电流以及更小的介电常数和更高的电子饱和率等，这些特点有助于提高晶体管的击穿电压，另外抑制电流崩塌效应，对提高器件的功率密度、漏极效率和增益等用处很大，且在工艺中容易实现，第3代新型半导体材料GaN在射频和大功率领域具有很大优势［1］。

基于Agilent ADS仿真软件设计并实现了一款工作于S波段基于GaN的高效超宽带微波功率器件，具体为2.7 GHz～3.5 GHz，以15W为输出功率，比之于现国内市场上的2.7 GHz～3.1 GHz和3.1 GHz～3.5 GHz更具有超宽带优越性，功率增益高达13 dB，效率超过45%，并将关键的输入输出匹配电路和直流偏置电路与晶体管一样置于管壳当中。对比国内外MMIC产品，该器件更加灵活且具有更低的价格;对比同类GaN产品，小型化和集成度更具优势。该产品主要用在国产军事雷达装备中，将前端传输来的脉冲信号功率放大，再传输给天线发射出去，是雷达装备的关键部件。每年S波段雷达对器件的需求在数十万只，市场潜力巨大，是一项很有意义的课题。

1 仿真与设计

1.1 技术指标和晶体管的选择

在2.7 GHz～3.5 GHz工作频段内，要求器件在连续信号和脉冲信号下均可工作，饱和状态下，输出功率大于15W，漏极效率超过45%，功率增益大于13 dB。主要是凭借对CREE公司提供的GaN MOSFET晶体管CGH60015D进行内部阻抗匹配电路和内部直流偏置电路的设计和测试，进行工程应用研究。

1.2 直流分析

通过厂家提供的晶体管ADS模型进行直流分析，得到电流-电压(I-V)曲线以确定其静态工作点，如图1所示。结合数据手册推荐晶体管在AB类条件下工作，选用Q点VDS=32 V，VGS=-3.1 V作为器件的工作点。

图1 晶体管直流分析I－V曲线

1.3 电路的仿真与设计

GaN MOSFET晶体管的正常工作需要对应的匹配网络和偏置网络才能实现。设计总框图如图2所示。

图2 总框图

1.3.1 源牵引与负载牵引的分析

通过ADS，在大信号输入下，反复变换源阻抗(ZS)和负载阻抗(ZL)对晶体管进行分析，可以在Smith阻抗圆图上绘制等功率圆与等效率圆，当前后两次得到的最佳阻抗点ZS和ZL相等为止［2-4］。分别选取频率2.7 GHz，2.9 GHz，3.1 GHz，3.3 GHz和3.5 GHz 5个点进行全面分析。在仿真过程中，由于所得输出功率已经足够大，因而选取效率最高的点，分析结果如表1所示。

表1 晶体管最佳阻抗点

由表1可以看出，在这800 MHz频段范围内源阻抗ZS非常接近，负载阻抗ZL差距也不大，这里选取ZS=2.9+j8.4，ZL=17.0+j13.5作为试验点进行下一项分析。

1.3.2 匹配网络

为了实现晶体管放大器的宽频带、高效率和高增益，应尽可能将匹配网络靠近有源器件的输入端。将匹配网络置于功率管壳内，可以将器件性能最大化［5］。

匹配网络的实质就是完成阻抗变换，将现有阻抗值转换为所需阻抗值(研究中即为50Ω)。其作用就是实现信号的完美传输，所谓完美传输，即减小传输损耗、降低噪声干扰和提高频率响应线性度等［6］。

由于在管壳内实现匹配网络，所以必须要考虑管壳的寄生参数对网络的影响。使用矢量网络分析仪测得管壳S参数，将S参数以S2P格式导入ADS，进行拟合分析并建立模型如图3所示。

图3 管壳LRC拟合模型

对表1最佳阻抗点取共轭即为晶体管的输入阻抗Zin和输出阻抗Zout。输入阻抗非常接近，这里取Zin=ZS

*=2.9-j8.4，输出阻抗取实部的最大最小中间值和虚部的最大最小中间值Zout=ZL*=17.0-j13.5，再进行输入、输出匹配的网络设计，利用T型匹配网络均匹配至50Ω标准。

晶体管输出阻抗较大，很容易将其匹配至50 Ω，这里不多做叙述。

输入阻抗Zin=2.9-j×8.4较小，匹配至50Ω，通过Smith阻抗原图可以看出，或由经验式(1)得出，节点品质因数Qn较大，约为4;接着通过Qn与有载品质因数Qe的关系式(2)得出Qe为2;最后通过3 dB带宽的式(3)得出3 dB带宽(WB)可以达到1.55 GHz;宽带匹配的带宽相对较小，根据现2.7 GHz～3.5 GHz 800 MHz带宽带内平坦度应保持在1 dB以内，理论上可以达到。

具体为:分别由GaN晶体管上栅极和漏极作键合线(键合线为金丝，作为电感)至电容上，电容接地，再由电容作键合线至隔直电容上，形成输入和输出T型匹配。

由于管壳寄生参数对匹配网络具有一定影响，还需要进行实际测试确定结论。

1.3.3 偏置网络

一个偏置网络由一个直流电源模块和射频扼流圈共同组成。射频扼流圈在工作频段内具有很高的阻抗，其作用顾名思义，阻止射频信号通过偏置网络泄漏，使信号通过GaN FET晶体管放大的输出信号不受损耗，从而使器件的漏极效率得以保证。

根据已知的终端有载传输线输入阻抗的最终形式如式(4)所示［6］，

将该传输线以短路形式，即ZL=0时，式(4)可简化为:

当d=λ/4时(用λ表示波长)，阻抗趋于无穷大。因此常以λ/4高阻抗线作为射频扼流圈。

在Agilent ADS软件中，由于λ/4高阻抗线和其他电路元件基板材料不同，必须对λ/4线进行Momentum仿真［7］。图4为所设计的λ/4高阻抗线原理图。其中，基底材料选用氧化铝陶瓷，其介电常数为9.7，厚度为0.381mm。图5则为通过Momentum仿真得到高阻抗线后设计的偏置电路。

图4 栅极(左)和漏极(右)λ/4高阻抗线

栅极和漏极偏置电路仿真结果为谐振点均在3.1 GHz处，且实阻抗分别达到5 800Ω和3 300Ω，近似开路，符合要求。为防止低频振荡，在栅极偏置电路串联一个较小的约10Ω的电阻［8］。

1.4 总电路和稳定性分析

在实际的贴片当中，需将晶体管的源极接地。由于源极与晶体管芯片背面金属相通，因此通过共晶焊工艺使源极与管壳相连。由此造成了地寄生传导电感的存在，通常将此电感取为10 pH［9］。

这里特别说明，输入端和输出端的匹配电容(C5和C6)在匹配网络中非常重要，在调试当中只能小范围内变动，所以在调谐过程中未作变动。在实际调试中，由于作为电感的键合线为金丝，通过调整金丝的拱高和根数等因素来改变电感是很容易的，所以主要对电感进行调谐。根据前文所述管壳寄生电感和地寄生传导电感，通过优化调谐，最后确定仿真总电路如图6所示。

图5 栅极(左)和漏极(右)偏置电路

图6 仿真总电路

利用晶体管放大器设计微波功率器件时必须要考虑到稳定性，器件不稳定会导致振荡，输出信号达不到器件，所以进行稳定性分析很有必要［10-11］。我们一般用稳定系数K来衡量一个器件的稳定性，稳定系数K用式(6)和式(7)来表示。

通过图7可以看出，在器件工作频段内，稳定系数K大于1，器件为无条件稳定。

图7 器件稳定系数随频率变化曲线

2 测试结果

微波功率器件实物如图8所示，测试夹具实物图如图9所示。

本论文对该器件设计主要的用途是国产军用雷达收发机功放模块，所以测试输入信号采用脉冲信号，脉冲宽度为1 ms，信号周期为10 ms，占空比D为10%。测试条件是:漏极电压VDS=32 V，栅极电压VGS=-3.1 V。表2为频率为2.7 GHz～3.5 GHz时的测试数据。其中器件漏极效率(ηD)表达式如式(6)所示:

图8 微波功率器件实物图

由测试结果可知:在2.7 GHz～3.5 GHz频段内，输入功率达到29 dBm即0.8W时，达到饱和状态，输出功率高于16 W，增益在13 dB以上，漏极效率高于45%。增益平坦度低至0.6 dB。该器件满足设计指标。

图9 测试夹具实物图

表2 微波功率器件测试数据

3结论

根据CREE公司提供的GaN晶体管芯片大信号模型测试得到的晶体管特性确定静态工作点，通过负载牵引原理得到晶体管阻抗参数，确定匹配电路，最后采用四分之波长传输线作为高阻抗线作为偏置网络最重要一环，成功设计并实现了一款S波段基于GaN的微波功率器件。试验测试结果表明所设计的器件在2.7 GHz～3.5 GHz内输出功率大于15W，增益大于13 dB，漏极效率在45%以上，成功在管壳内部实现了匹配和偏置电路。同时也证实了宽禁带材料GaN器件小型化、超宽带、高增益以及高效率的特点。

［1］杨斐，周永伟，马云柱，等.S波段GaN大功率放大器的设计与实现［J］.火控雷达技术，2011，40(3):86-90.

［2］崔浩，罗维玲，龚利鸣，等.一种S频段GaN功率放大器的研制［J］.空间电子技术，2013，3:28-32.

［3］张永慧，吕春明，汪邦金.一种S波段宽带GaN放大器的设计［J］.现代电子技术，2011，34(10):196-198.

［4］宫为保.宽带射频功率放大器的匹配电路设计［J］.广播电视信息，2010，9:68-70.

［5］邢靖，刘永宁.C波段固态功放设计和实验研究［J］.现代雷达，2005，27(6):59-62.

［6］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射频电路设计——理论与应用［M］.王子宇，张肇仪，等译.北京:电子工业出版社，2002:49-61，270-288.

［7］张方迪，张民，叶培大.一种GaN宽禁带功率放大器的设计［J］.现代电子技术，2010，13:45-47.

［8］张鸿亮.3.1～3.4 GHz 120W功率放大模块研制［D］.西安.西安电子科技大学，2010.

［9］张梦苑.C波段GaN宽带功率放大器的研制［D］.上海:复旦大学，2014.

［10］谢晓峰，肖仕伟，沈川.1～2 GHz宽带GaN功率放大器的设计与实现［J］.微电子学，2013，43(3):325-328.

［11］黄勇，张福洪，李钱赞.基于ADS的功率放大器设计与仿真［J］.现代电子技术，2011，34(15):113-116.

周泽伦(1991-)，男，陕西扶风人，在读研究生，主要从事射频微波电路与系统的研究，jason_patrick@126.com;

多新中(1974-)，男，硕士，主要从事射频微波电路与系统的研究与设计，duoxinzhong@hotmail.com;

王栋(1977-)，男，研究员，主要从事频率综合器和接收机的研究与设计，wdlym@sina.com。

Development of S-Band M icrowave Power Devices Using GaN HEM Ts*

ZHOU Zelun，DUO Xinzhong，WANG Dong*

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute，Xi’an 710100，China)

The features and ascendancy of the new semiconductormaterials of third generation are briefly introduced and the design and implementation of a kind of S-band microwave power device accomplished using GaN HEMTS with ultra-wideband and high-efficiency based on microwave simulation software Agilent ADS.The test results show that this device works at both continuous wave and pulse signalmode in the range of 2.7 GHz～3.5 GHz.The saturated output power is over 15W，gain over 13 dB and drain efficiency over 45%.In addition，thematching and bias circuits are placed in the device.It verifies and implements theminiaturization，ultra-wideband，high gain and high-efficiency of GaN MOSFETmicrowave power devices.

GaN;microwave power devices;ADS;ultra-wideband;high-efficiency

C:1320

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.006

TN957.3

:A

:1005－9490(2017)01－0027－06

项目来源:江苏博普电子科技有限责任公司项目

2016-01-04修改日期:2016-02-01