基于0.25 μm GaN 的2～12 GHz 连续波10 W功率放大器

刘士奇，周 云，周文硕

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081;2.陆军北京军代局驻石家庄地区军代室，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着信息技术的不断发展，诸多电子系统亟需宽带、大功率和高效率的射频功率放大器，以满足电子测试仪器、电子对抗和干扰等领域需求[1-3]。GaN HEMT器件因其固有优势，逐步挤占真空管市场，成为新一代宽带、大功率器件的新宠[4-5]，分布式放大器拓扑架构则充分考虑了有源器件特性，利用微带线补偿寄生电容，实现超宽带，是目前多倍频程放大器的主流结构[6-7]。因此，基于GaN HEMT器件的分布式放大器成为当前超宽带、高功率放大器的主流，其研究结果不断刷新业界记录[8]。

本文基于自主的0.25 μm GaN HEMT工艺，利用分布式放大器结构，开发了一款超宽带、高功率和高效率的微波单片功率放大器，性能指标达到国际主流水平，包括GaN HEMT 有源器件特性分析、分布式放大器设计和制作，放大器性能测试和分析等。该功率放大器可广泛地应用于通用电子仪器测量和测试、电子对抗和干扰等众多领域。

1 GaN HEMT器件特性和分析

有源器件是功率放大器的核心和基础，可从直流参数、频率响应参数和功率以及效率参数3个方面评估其性能优劣[9-10]。

直流参数如跨导、最大漏极电流和器件击穿电压以及阈值电压等，表1为 0.25 μm GaN HEMT器件直流参数。其中Gm为器件跨导，Ids为饱和漏极电流，Imax为最大饱和电流，BVgd为击穿电压，Vth为阈值电压，可提供较大的工作电流和足够的工作电压，确保正常、可靠工作。

表1 GaN HEMT 器件直流参数

Tab.1 Parameters of GaN HEMT DC Component

参数均值条件Gm/(mS·mm-1)400Ids/(mA·mm-1)700Vds=10 V,Vgs=0 VImax/(mA·mm-1)800Vds=10 V,Vgs=0.6 VBVgd/V100Igd=1 mA·mm-1Vth/V-3.0

频率响应参数主要包括最大电流增益和最大功率增益[11]。其直接决定放大器的频率响应。栅宽为6×90 μm 器件的频率响应如图1所示。从图1中可以得到，在频率为8 GHz时，最大功率增益大于19 dB，为宽带放大器设计提供足够的功率增益。

图1 Vds=28 V，Vgs=-2.0 V GaN HEMT器件频率特性曲线

功率、效率参数则主要通过LOADPULL 测试，评估出单位栅宽器件的功率密度和效率。栅宽为6×90 μm器件的LOADPULL测试原图如图2所示，包括等功率圆和等效率圆，其最大输出功率约为35 dBm,最佳效率大约62%。

图2 Vds=28 V，Vgs=-2.0 V GaN HEMT LOADPULL 曲线

2 分布式放大器设计和制作

超宽带、高功率和高效率放大器的设计和制作难点体现在以下3个方面：① 最佳阻抗随频率变化，分散较大；② 由于增益滚降使得器件在倍频程带宽内增益差距较大，难以平坦；③ 阻抗Q值变化较大，匹配结构复杂，损耗较大[12-13]。

采用分布式放大器结构，如图3所示。充分利用栅极和漏极传输线，实现多个功率器件的功率合成，同时把寄生电容Cgs融入匹配传输线中，消除电容带来的低通极点，极大提高放大器增益带宽乘积，进而有效避免上述宽带功放的技术瓶颈，显著改善宽带特性。

图3 功率放大器电路

当然，分布式放大器也存在不足。主要体现在以下3个方面：① 最大饱和输出功率受到漏极工作电压Vd和负载阻抗RL的制约，其关系约为Po=Vd2/RL。要么提高工作电压，但受到器件击穿电压限制；要么降低负载阻抗，但需要附加宽带阻抗变换，增加损耗，功率和效率受到影响[14-17]。② 分布式放大器的效率通常不高，主要原因是输出功率可以朝源和负载2个方向传输，导致其有一半的功率被耗散，无法被负载吸收。③ 传输增益受到传输线损耗限制。

基于上述困难，拟采用非均匀分布式(NDPA)电路结构，即渐变式结构，实现输出功率朝负载方向传输，扼制其向源极方向传输，进而实现高功率和高效率。同时也成功避免了均匀分布式放大器结构中固有的第一级有源器件阻抗过高，通常大于200 Ω，对于单片MMIC工艺制程来说，特性阻抗过高，制作困难，而且损耗较大，使得放大器的效率和功率受到影响。

本文基于非均匀分布式放大器架构，根据增益和传输损耗相互制约关系，拟采用7阶非均匀分布式放大器，推导出归一化最优阻抗，总栅宽和输出功率，构建分布式放大器拓扑结构。晶体管简化的输出模型如图4所示[7]，从中可以推出相关关键参数。

图4 简化的FET 管输出模型

(1)

归一化后得到最优阻抗表达式为：

(2)

进而得到不同晶体管阶数的匹配特性阻抗表达式为：

(3)

如果末级输出的特性阻抗Zo,n=RL，则可以得到：

(4)

基于上述理论推导，可以得到分布式放大器核心架构参数，比如每一级晶体管的栅宽、最优阻抗、匹配特性阻抗以及预期的输出功率。表2是基于上述公式推导得到的7阶分布式放大器相关参数。

表2 7阶非均匀分布式放大器设计

Tab.2 Design of 7 order non-uniform distributed PA

GaN NDPAFETWQ/mmZo/ΩRp(Ω·mm)=134RL=50Totalwidths=2.68 mmnumber of cell =7Vdd=28 VPSAT=15 W10.5424820.3614830.3610640.368250.366760.365770.3650

同时，在每一个有源器件的栅极前串联一个电容电阻(RC)并联结构，降低了有源器件的栅极电容，提高了电路的截止频率，扩展了电路带宽，同时也增强了电路的稳定性，改善了电路增益平坦度。

完成电路拓扑架构以及原理图仿真，着手考虑电路版图设计。首先，借助最优阻抗匹配点，通过调整版图匹配无源器件，不断逼近最优阻抗点，实现阻抗匹配。这对宽带功放来说，尤其关键。其次，充分考虑版图之间的电磁场干扰，寻求版图布局合理化，以期获得较佳的电性能和紧凑的芯片尺寸。同时考虑工艺容差和功率容量，在缩小芯片面积的同时，避免增强电磁耦合效应。最后，开展版图后仿真验证和冗余度分析，降低工艺误差对性能产生影响，提高成品率和批产能力。

本文设计的功率放大器主要工作在连续波模式下，有源器件作为发热源，其热耗密度在芯片中也是最大的，应重点考虑。在有源器件布局中，通过增加有源器件之间的间距，降低有源器件之间的热重叠，同时采用梯度加宽栅-栅间距的方式，加大有源器件面积，降低热耗功率密度，同时最大程度减小由于有源器件面积增加所带来的寄生电容增大和模型误差所导致设计和实测性能之间的差距。

完成电磁场的仿真和优化，进行电路版图绘制，最终设计的2～12 GHz非均匀分布式放大器MMIC芯片电路如图5所示，芯片尺寸为3.35 mm×2.60 mm。

图5 放大器MMIC电路(3.35 mm×2.60 mm)

3 测试结果与分析

3.1 放大器小信号特性

放大器流完片后，进行装配，然后借助矢量网络分析仪、电源和辅助测试夹具，测试其小信号S参数，测试频率范围为2～12 GHz。测试条件如下：偏置条件为Vds=28 V，Vgs=-2.0 V，连续波。图6为放大器的S参数测试曲线，从中得到S21≥11 dB，S11≤-11 dB，S22≤-12 dB，表明该研制的放大器具有较高的增益，良好的输入驻波和输出驻波并与仿真曲线对比，二者吻合较好。

图6 放大器小信号特性参数测试曲线

3.2 放大器大信号特性

开展大信号测试，主要包括饱和功率、饱和附加效率和饱和功率增益。测试系统包括功率计、信号源和频谱仪以及测试夹具。测试条件如下：偏置条件为Vds=28 V，Vgs=-2.0 V，连续波。测试结果如图7、图8和图9所示。其中，图7为测试和模拟输出功率随频率变化曲线，图8为测试和模拟功率附加效率随频率变化曲线，图9为测试和模拟功率增益随频率变化曲线。在2～12 GHz频率范围内，功率放大器的输出饱和功率Pout≥40 dBm，饱和附加效率PAE≥30%，饱和功率增益Gp≥7 dB。

图7 测试和模拟输出功率Vds=28 V，Vgs=-2.0 V连续波

图8 测试和模拟功率附加效率Vds=28 V，Vgs=-2.0 V，连续波

图9 测试和模拟功率增益Vds=28 V，Vgs=-2.0 V，连续波

由以上曲线可以发现，测试曲线和仿真曲线的吻合度较高，验证设计方法、设计模型是可靠、可用的，为后续同类产品开发奠定了基础。

该功率放大器芯片在2～12 GHz频率范围内具有超宽带、高功率和高效率特性，性能结果达到国际主流水平。表3是与国际主流厂家类似产品的报道结果对比。

表3 GaN MMIC 分布式放大器总结

Tab.3 Summary of GaN MMIC distributed PA

参考频率/GHz功率/dBm效率/%增益/dB文献[15]1～640.01810～15文献[16]2～1739.0157文献[17]0.02～643.03018～21文献[18]4～1836.51610本文2～1240.0307

4 结束语

基于0.25 μm GaN HEMT工艺，采用非均匀分布式电路结构，借助宽带匹配和增益补偿技术以及充分考虑器件散热，设计和制作了一款2～12 GHz、高功率和连续波的超宽带放大器，其连续波输出功率Pout大于40 dBm，功率附加效率PAE介于30%～45%之间，大信号增益大于7 dB，输入回波损耗小于-11 dB，芯片面积为3.35 mm×2.60 mm。电路性能满足设计要求，可广泛应用电子测试仪表、电子对抗和干扰等诸多领域。