20～1 000 MHz 100 W GaN宽带功率放大器研制

侯 钧 ，方建新 ，黄 亮 ，蒋 超

（1.成都四威功率电子科技有限公司四川成都611730；2.西南电子设备研究所四川成都610036）

功率放大器是通信系统发射链路中的重要组成部分。目前很多军、民用电台，广播电视等发射系统都工作在20～1 000 MHz频段。随着宽带通信、干扰和测试系统的发展，对能覆盖整个频段的功率放大器需求非常迫切。20～1 000 MHz有近6个倍频层，受制于Bode-Fano准则，在如此宽的频段内进行匹配会面临极大挑战。微带线和电容电感相结合的方式适用于高频[1-3]，若需兼顾低频，输出功率往往难以大于10 W[4]。单纯运用传输线变压器（transmission line transformer，TLT）也不能达到需要的带宽[5-8]，因此，解决20～1 000 MHz频段宽带功率放大器的研制问题具有重要的应用价值。

1 TLT及磁芯的应用

TLT具有宽的带宽、低的损耗、高的功率容量等特性，可用于匹配和合成，得到了广泛的应用。

1.1 TLT原理

TLT基于是同轴线互联、互相耦合的变压器，它的线间电容非常小，能够在很宽的频带进行变换。理论上它的可实现性只有“传输比的平方根必须是有理数”这一个限制。最常用在匹配电路的传输比是4:1，其原理见图1。

图1 4:1 TLT原理图

利用同轴线内外导体电流大小相同、方向相反的特性，可以由以下方程组进行分析：

其中V1、I1分别为源的电压和电流；V2、I2分别为同轴线变换后的电压和电流；Z、l分为同轴线的特征阻抗和线长；RS、RL分别为源和负载的阻抗。

最佳匹配的条件如下：

因此，用特征阻抗25 Ω的同轴线组成4:1网络，可将50 Ω阻抗无耗地变换为12.5 Ω。

实际使用TLT时会面临漏电流、寄生电容、接头处的不连续等各种影响，目前还是采取仿真、等效计算和实测拟合相结合的设计方式[9]，在宽带应用时需要解决上述问题。

1.2 磁芯的作用

铁氧体磁芯可以拓展TLT的频率低端，减小或消除带内的谐振尖峰。同时会带来频率高端的恶化。

频率低端可由公式：

进行计算。

频率高端主要考虑磁芯带来的损耗。在大功率应用下，射频功率的传输如下式：

其中PMAX为输入带磁芯TLT的射频总功率，Pu为TLT传给负载的资用功率，L0为同轴线的长度，f为工作频率，Q为磁芯品质因素。为并联复数磁导率，等式右边的第二项为磁芯的损耗功率，第三项为反射功率。

2 宽带功率放大器设计

本文选用了CREE公司的GaN HEMT晶体管CGH40180PP进行设计。其最高工作频率可达2.5 GHz，输出功率大于180 W。

GaN被称为第三代半导体材料，具有宽禁带和高击穿场强的特性。随着其材料与工艺的成熟，GaN HEMT的可靠性不断提高[10]，已经逐渐在军民用领域得到认可[11-12]。GaN的材料特性与GaAs、Si的比较[13]如表1所示。

表1 GaN材料与GaAs、Si材料的比较

宽带功放的设计的核心是宽带匹配。有3个必须注意的关键步骤：

1）设法得到被匹配晶体管的大信号阻抗参数；

2）针对目标阻抗参数进行共轭匹配；

3）针对稳定性、平坦度、输入驻波等指标对电路进行调整。

2.1 得到大信号阻抗参数

文中采用计算机仿真LoadPull来得到功率管的阻抗。图2为1 GHz处的LoadPull仿真图。全频段的阻抗参数见表2。

图2 1 GHz处的LoadPull结果

表2 20 MHz～1 GHz的阻抗仿真结果

2.2 设计匹配电路

从表2可以看到，功率管的输出阻抗在整个频段内变化较大。要求匹配网络的阻抗也随频率变化且与之共轭。可通过电容和TLT的等效电感形成π型网络来满足整个频段内的匹配。

CGH40180PP的低端阻抗为13 Ω左右，可用4:1的TLT网络将50 Ω变换为12.5 Ω。同时添加合适的磁芯以覆盖20 MHz。按照1.2节中的计算方法，选择了相对磁导率250的磁芯，并计算出同轴线的磁化等效电感，将其加入仿真模型中，仿真电路及结果如图3和图4所示。

图3 加载磁芯和电容后的4:1 TLT

图4 TLT的反射参数S22

2.3 优化电路特性

在小信号仿真器下调整整个电路的输入驻波、增益平坦度、稳定性因子。CGH40180PP在频率低端增益非常高，且不稳定，因此在其栅、漏间加入RC串联负反馈，在整个电路输入端添加RC并联有耗网络，显著改善功率放大器的稳定性，同时优化电路的驻波和增益平坦度。仿真结果见图5。

图5 添加稳定网络前后

小信号仿真完成后，用大信号仿真器来计算功率放大器的1 dB压缩点，针对输出匹配网络做一些调整。当输出功率达到要求后，整个电路的增益会有一些变化，需再对输入匹配电路进行微调。

图6 整个功率放大器的仿真电路图

整个功率放大器的仿真电路见图6，输入输出匹配电路均使用的铁氧体磁芯加载的等效TLT模型。仿真结果见图7和图8，所有频点输出功率均大于100 W（50 dBm）。

图7 全频带扫频输出功率仿真结果

图8 固定输入39 dBm时的输出功率仿真结果

图9 20～1 000 MHz 100 W功率放大器实物图

图10 20～1 000 MHz功率放大器测试结果

表3 同类产品比较

功率放大器的实物图见图9。仿真的结果能够指导设计与调试的方向，由于晶体管、TLT和铁氧体磁芯的模型与现实有差别，实际工作中调试仍然占到一部分工作量。

最后测试结果如图10所示，功率放大器在20～1 000 MHz带宽内输出功率大于50.3 dBm（107.2 W），增益大于11.3 dB，漏极效率大于34.5%，达到了设计目标。与同类产品的比较见表3，可见成功在5个倍频程以上达到了50.3 dBm以上的输出功率[16-19]。

3 结 论

本文简要介绍了如何将铁氧体磁芯与TLT相结合并应用在宽带功率放大器的匹配电路中，在此基础上进行了20～1 000 MHz 100 W GaN宽带功率放大器的仿真及实物设计，测试结果满足了设计指标，成功将百瓦量级功率放大器的带宽拓展到5个倍频程以上，解决了此频段的实际应用需求。后续将结合实测结果和仿真数据，修改对应仿真模型，提高仿真的准确度，在此基础上进一步提高此频段功率放大器的效率、增益等关键指标。

参考文献：

文中的三阶段博弈是基于古诺模型建立的，续航里程研发量不影响反市场需求函数，是隐含条件，但是在实践中，有些汽车品类的续航研发量会对消费者需求产生一定的影响，这类问题还需在下一阶段进行深入研究；另外本文仅研究两个新能源汽车企业开展联合研发的情况，更加复杂的市场网络在新政策下的研发动向也是值得继续研究的方向。

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