VHF 600 WGaN功率模块研制

王建浩，刘 雪，王 琪，戈 硕，唐厚鹭

(南京电子器件研究所，南京 210016)

1 引言

第三代半导体拥有宽禁带宽度、高击穿场强、高热传导率和高电子漂移速度等优点，能够更好地满足高温、高频等应用要求。近年来，以GaN为代表的第三代半导体取得了蓬勃的发展，GaN功率管在射频领域的应用也越来越广泛[1-5]。

本文设计了一种基于GaN工艺的VHF频段高增益高效率功率放大模块。模块采用三级放大结构，分别采用了高增益GaAs单片、GaN内匹配小功率管，GaN大功率管。为进一步减小模块体积，本文将高增益GaAs单片、GaN内匹配小功率管采用内匹配方式，形成一个高增益GaN驱动模块，末级采用推挽结构电路，实现模块高增益、高效率、大功率输出。

2 模块结构设计

2.1 增益分配

功率模块输入功率5 dBm，输出功率大于57 dBm，增益大于52 dB。模块采用3级直接级联放大，具体增益分配如图1所示。

图1 功率放大模块增益分配示意图

由图1可以看出，模块由3级组成，每级增益分别是19 dBm、17 dBm、16 dBm。

1）P1：宽带GaAs单片，体积小，增益高，在DC～3 GHz可以提供24 dBm的功率输出，为中间级提供足够的驱动功率。

2）P2：基于2 mm×2.4 mm GaN管芯的内匹配功率放大电路，单级在VHF频段可以提供不小于42 dBm的输出功率。

3）P3：采用大功率GaN功率管，这是本次设计的核心部分，功率管内匹配采用2个GaN管芯并联预匹配方式，外匹配电路输入输出电路均采用了推挽结构的匹配设计，是模块实现高输出功率、高工作效率的最终体现。

2.2 模块整体设计

本文设计的模块尺寸不大于90 mm×50 mm×18 mm，模块衬板是铝制金属一体化设计，兼顾刚度、强度以及散热性能。射频输入和直流加电端口采用绝缘子，射频输出采用50Ω微带线结构。模块电路由射频电路和调制电路组成，实物图如图2所示。

图2 模块正面图

调制电路采用双面布局，最大化减小面积。驱动模块包含P1、P2两个部分，尺寸为24 mm×17.4 mm×4.4 mm，采用金属陶瓷封装管壳。GaN功率管采用金属陶瓷封装管壳，尺寸为30.2 mm×10.3 mm×5 mm。

3 驱动模块设计

要实现高效率、高增益的产品性能，需要对GaN管芯进行匹配电路设计。本项目针对高性能以及高稳定性的要求，输入输出匹配电路均采用传统的分立式匹配方法，因为带宽较窄，只需要经过一级LC阻抗变换就可实现输入输出端口的阻抗提升至50Ω。最后针对高效功放的要求再对输出匹配电路设计进行优化，实现性能的最佳。

采用两只2.4 mm的GaN功率管芯进行输入输出匹配，实现放大器功能，其电路拓扑如图3所示。通过ADS对拓扑进行仿真，结果如图4所示。

从仿真结果可以看出，驱动模块在220～270 MHz频带内有很好的微波性能，能够满足模块一、二级直接级联的级间驻波要求。

4 第三级放大电路设计

4.1 GaN功率管芯的选择

第三级大功率GaN功率器件是模块研制的核心，是实现模块高效率、大功率输出的终端。南京电子器件研究所自主研发生产的GaN功率管管芯工作电压在46 V下，功率密度能够达到6.5 W/mm[6]，模块设计需要600 W功率输出，至少选择93 mm的管芯。考虑合成的效率以及损耗等综合因素，功率管选择采用2个54 mm管芯并联、总栅长108 mm的方案。

图3 第二级放大器的电路结构

图4 二级放大器的电路仿真结果

4.2 内匹配电路设计

4.2.1 输入内匹配设计

输入内匹配通过陶瓷片电路提升阻抗，并在陶瓷片电路上串联体电阻，体电阻起到了调节增益和稳定电路的作用，另外在输入匹配中还引入了贴片电容，以起到去耦作用，如图5所示。

图5 输入预匹配示意图

4.2.2 输出内匹配设计

模块工作在VHF波段，传统输出匹配需要长距离和高弧度的谐振金丝，功率管内较难实现。另外，功率管功率高，通过谐振金丝的电路会很大，采用“金丝+电容”的谐振电路来匹配显然已经不合适了。GaN功率管输出阻抗比输入阻抗高很多，一般情况下，在P波段以下输出通常不作内匹配设计。

4.3 外匹配电路设计

输入输出匹配电路均采用推挽结构，推挽电路平衡-不平衡的转换通过25Ω的同轴电缆实现，同时配合一些电容的使用也能够实现阻抗变换。管芯到巴伦线的匹配采用多节阻抗变换。54 mm管芯模型通过27个2 mm管芯S参数并联实现。匹配电路采用ADS进行仿真，电路原理和仿真结果如图6（a）和图6（b）所示。

从仿真结果看，末级匹配电路在220～270 MHz频率内可以实现大于18 dB的增益；电路回波损耗小于-15 dB，满足模块二、三级直接级联的驻波要求。

图6 第三级电路输入输出匹配原理及仿真结果

5 研制结果

在额定的工作条件下（源漏电压46 V，工作脉宽3 ms，占空比30%，输入功率5 dBm）进行测试，在约220～270 MHz频带内研制的模块输出功率大于600 W、功率增益大于52 dB、漏极附加效率大于75%。表1为模块实现的主要参数指标，图7为模块测得的效率、功率曲线。

表1 主要参数测试结果

图7 输出功率和效率测试结果

6 结论

本文报道了一款米波段高集成、高功率、高附加效率的功率模块电路的设计与研制。模块通过内匹配和同轴巴伦电路相结合的形式，通过三级级联，实现了在46 V工作电压、3 ms脉宽、30%占空比的条件下，约220～270 MHz频段脉冲功率输出大于600 W，功率增益大于52 dB，漏极附加效率大于75%。模块的性能及可靠性已经能够满足工程化应用的需求。该研制结果显示了基于GaN HEMT的微波功率管在米波段长脉宽、大功率、高效率的应用优势，具有较为广泛的应用前景。