S波段宽带大功率内匹配器件设计

徐永刚，李 飞，钟世昌

（南京电子器件研究所，南京 210016）

1 引言

微波功率放大器作为无线通信、电子战和雷达中最重要的组成部分之一，它对整个收发系统的性能指标有着重大影响[1-2]，随着通信、电子战和雷达系统的发展，功率放大器正朝着高效率、高功率、宽频带以及高线性的方向发展。人们对宽带高效率功率放大器做了很多研究[3-5]。2010年，H.Sledzik等人研制出2～6 GHz超宽带功率放大器，整个带内输出功率大于40 W，漏极效率大于30%[6]。2011年，南京电子器件研究所的余旭明等人报道了一款2～4 GHz宽带单片微波功率放大器芯片，脉冲输出功率大于35 W，最大功率附加效率为35%[7]。2013年，C.Berrached等研究人员研制了一款准单片内匹配平衡功率放大器，在2～4 GHz频带内脉冲输出功率大于45 W，增益大于9.8 dB，漏极效率频带内大于38%[8]。本文基于0.25 μm GaN HEMT工艺设计了一种S波段内匹配功率器件，采用LC网络和阻抗变换器相结合的方法实现宽带匹配，将两个大栅宽功率管芯进行合成实现大功率输出，并对该器件进行了大功率输出测试。

2 宽带大功率内匹配器件的设计与实现

2.1 GaN管芯

文中选用的GaN HEMT由南京电子器件研究所研制，AlGaN/GaN晶体管外延材料结构截面图如图1所示，SiC衬底之上分别为成核层、掺Fe GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和GaN帽层，在GaN沟道层与AlGaN势垒层之间有厚度约1 nm的AlN插入层。管芯采用对缓冲层掺杂适量Fe元素的方式提高了击穿电压。管芯采用“V”型栅结构，直流测试得到器件两端和三端击穿电压分别达到了180 V和160 V。

研制宽带大功率连续波内匹配器件，合理选择功率管芯很重要。根据在S波段28 V工作电压下连续波功率3.5 W/mm的输出功率计算，设计输出100 W功率的功率器件最小需要选择28.8 mm栅宽的功率管芯。在南京电子器件研究所现有GaN功率管芯的基础上，结合管芯的散热情况，我们采用了两个16 mm功率管芯进行合成的方案。

图2为具有200 μm单指栅宽和50 μm栅栅间距的16 mm GaN管芯的正面照片示意图。管芯的整体尺寸为4.2 mm×0.9 mm×0.1 mm。

图1 AlGaN/GaN晶体管截面示意图

图2 16 mm栅宽GaN管芯版图

2.2 内匹配电路的设计与实现

功率器件的匹配电路包括输入匹配和输出匹配[9]。GaN器件功率密度高，导致其模型对热效应非常敏感，负载牵引（Load-pull）测试直接包含了热效应，测试结果准确，可以直接指导内匹配电路设计，所以GaN器件多采用Load-pull的方法提取输出阻抗。28 V漏极偏置电压下，在中心频率3 GHz对单胞0.4 mm GaN管芯进行Load-pull测试，可以得出单胞管芯的最佳功率和最佳效率阻抗点。输出阻抗可以等效成一个电阻和电容的并联，考虑到最佳功率阻抗和最佳效率阻抗的折中，最终优化出1 mm GaN管芯等效输出电阻和等效输出电容分别为88 Ω和0.5 pF，大栅宽管芯的输出阻抗通过并联来获得。

宽带大功率输出匹配一般采用多阶LC网络进行匹配，但这种匹配方式往往导致电路的尺寸过大并且调试难度过大，本文采用LC网络和四分之一波长阻抗变换器相结合的方法，在减小电路尺寸和易于调试的同时实现了宽频带匹配。单个16 mm GaN管芯的等效输出电阻和电容分别为5.5 Ω和8 pF，先用2阶LC网络将阻抗值提升至30 Ω，然后用一个四分之一波长变换器将30 Ω变换至100 Ω，如图3所示。输出电路的调试主要集中在两阶LC网络上，该方法避免了多阶LC造成的调试困难。L和四分之一波长传输线制作在介电常数为9.9、厚度0.38 mm的陶瓷基片上，C为介电常数85、厚度0.18 mm的陶瓷电容，最后，两路信号在输出端口合成至50 Ω。

图3 16 mm GaN管芯输出匹配网络

大栅宽GaN管芯的输入阻抗值总是很小，Q值大，造成输入匹配网络设计十分困难。为了实现宽带输入匹配同时缩小电路尺寸，采用了四分之一波长阻抗变换器和准MMIC相结合的设计方法，如图4所示，所有的匹配元件和直流偏置电路均设计在一个GaAs芯片上，高介电常数使该芯片更紧凑，集成度更高，尺寸更小。准MMIC芯片直接将单胞16 mm GaN管芯匹配到50 Ω，然后通过两路合成器连接，整个内匹配器件原理图如图5所示，两路合成器采用传统的威尔金森结构，通过四分之一波长阻抗变换，实现50 Ω端口到100 Ω端口的变换，然后两个100 Ω端口进行合成实现50 Ω。

图4 16 mm GaN管芯输入匹配网络

图5 内匹配器件总体拓扑示意图

图6为实现的双路合成内匹配器件正面装配图，电路采用常用的气密性金属封装，封装尺寸为17.4mm×24 mm。

图6 内匹配器件照片

3 测试结果

功率器件采用Au80%Sn20%焊料烧结到封装管壳内，然后进行金丝键合及微波测试。由于器件尺寸较小，散热通道有限，烧结的质量显得至关重要。图7为内匹配器件的测试结果，连续波，漏极电压28 V，输入功率为41 dBm，在2.0～4.0 GHz带内输出功率大于100 W，峰值输出功率为150 W，功率增益大于9 dB，效率大于45%，带内平坦度小于±0.85 dB。测试结果验证了内匹配器件输出匹配网络的准确性，输出匹配同时兼顾了功率和效率。

图7 输出功率与漏极效率测试结果

4 结论

本文中，我们采用0.25 μm GaN HEMT工艺成功研制了S波段100 W GaN宽带内匹配功率放大器，准MMIC用于输入匹配网络设计，在很大程度上减小了电路尺寸，实现了器件的小型化。整个内匹配器件集成在17.4 mm×24 mm的气密性金属封装管壳内，在工作频带内连续波输出功率最大150 W，效率最高为65%。研制的宽带内匹配器件能够很好地满足雷达、通信和电子战系统的需求。