一种使用集总元件实现的P波段推挽式功率放大器

2022-04-27唐厚鹭孙园成

电子与封装 2022年4期

王琪，唐厚鹭，贺瑾，孙园成

（中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京 210000）

1 引言

氮化镓（GaN）器件由于具有较宽的禁带宽度，可以应用在更高的频率和更高的电压条件下,正在得到越来越广泛的应用[1]。随着国外GaN射频器件越来越具有核心竞争力，国内中国电子科技集团公司第五十五研究所和第十三研究所也一直致力于GaN器件的发展，其研发生产的功率放大器涵盖各个频段，尺寸从微波单片集成电路（Microwave Monolithic Integrated Circuit，MMIC）到模块，功率量级从瓦到千瓦，均有成熟产品[2-5]。随着技术发展和应用需求扩大，如何结合GaN材料的优点，提高GaN功率放大器性能，减小GaN功率放大器尺寸显得尤为重要。到目前为止，常见的实现功率放大器小型化的方法有4种：使用新型无源结构（复合左右手材料、基片集成波导等）实现小型化[6]；使用新型材料——如低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-Fired Ceramic，LTCC）——实现小型化[7-8]；通过优化电路空间布局缩小体积[9]；使用高介电常数基板和集总元件进行匹配电路设计以实现小型化[10-11]。

P波段射频推挽式高功率放大器广泛应用于电子通信、电子对抗、广播、雷达、工业加工、医疗仪器和科学研究等领域，其电路设计主要采用集总参数和分布参数的混合电路结构[9]，同轴巴伦结构是其匹配电路中必不可少的一部分。为了实现P波段大功率放大器器件的小型化，考虑几种常用方法的可行性。由于P波段频率低，波长长，分布参数电路尺寸过大，即使使用新型无源结构，其面积减小有限；考虑到将来大功率的应用，LTCC能够承载的功率不足。集总元件尺寸小且与波长无关，因此在P波段集总元件具有明显的体积优势。

本文采用集总元件实现了工作于400~450 MHz频带的推挽式功率放大器，验证了仅依靠集总元件在该频段实现小功率推挽式功率放大器的可行性。

2 集总元件巴伦的实现

由LC集总元件实现的集总参数巴伦电路原理如图1所示。将一个非平衡端口作为信号输入端、两个平衡端口作为信号输出端时，由于电感具有-90°相移特性，电容具有+90°相移特性，而并联电容等效为串联电感具有-90°相移特性，并联电感等效为串联电容具有+90°相移特性，因此平衡端口1具有-270°相移，平衡端口2具有+270°相移，得出两端口的相位差为180°，从而实现了平衡和不平衡转换[12]。

图1 集总参数巴伦电路原理

在ADS软件中搭建电路图并进行仿真优化，为了方便实物测试，将3个端口的端口阻抗均定为50Ω，最终电路图中的电容值、电感值优化结果如图2所示。

图2 ADS中搭建电路及仿真优化结果

基于理论仿真结果，进行实物PCB板的制作。实物介质基板材料为Arlon-TC350，介电常数为3.5，板材厚度为1 mm，集总电容采用100B封装的表贴多层陶瓷电容，电感采用0805封装的片式电感。最终实物如图3所示。

图3 集总参数巴伦电路实物

使用矢量网络分析仪对该实物进行测试，得到实物测试结果与仿真结果对比如图4和5所示。

图4 集总元件巴伦S参数幅度曲线

从图4和图5可以看出，虽然由于实际板材、集总元件和测试环境的非理想化，实物的插入损耗增大，但是实物测试结果与仿真结果保持了较好的一致性。在400~450 MHz频带内，两输出端口实测的插入损耗小于3.45 dB，回波损耗小于-23 dB，相位差在180°±4°范围内，该巴伦验证了集总参数巴伦两平衡输出端信号幅度相等、相位相反的特性。

图5 集总元件巴伦两输出端口相位差曲线

3 集总元件推挽放大器

完成巴伦设计后，进行功率放大器设计。在P波段推挽式功率放大器中，为了满足大功率和宽带宽的需求，通常情况下选择同轴巴伦，若使用集总元件代替大尺寸同轴巴伦，理论上可以大大减小电路尺寸。

为了验证集总元件在推挽放大器电路匹配中的可行性，考虑到常用表贴元器件能承载的功率量级，选用两个1.2 mm栅宽的GaN管芯设计推挽式功率放大器。整个匹配电路的拓扑结构如图6所示。

图6 功率放大器电路拓扑

通过load-pull测试得到1.2 mm管芯在漏极电压Vd=28 V的条件下，输出阻抗约为（80.5-j18.6）Ω。在ADS仿真软件里使用该管芯小信号S参数进行阻抗匹配电路的仿真优化，阻抗匹配电路主要采用LC拓扑结构，其电路原理如图7所示。

图7 ADS功率放大器电路原理

调试优化后放大电路仿真结果如图8和9所示。

从图8和9可以看出，在400~450 MHz的频带内，放大器小信号增益大于20.8 dB，回波损耗小于-24.5 dB，在频带内绝对稳定。

图8 功率放大器S参数模值随频率变化曲线

完成电路仿真后，对电路进行实物加工。采用栅宽为1.2 mm的GaN功率放大器管芯，管壳底座采用铜钼铜材料，管壳端口采用金属陶瓷材料，匹配电路PCB板采用介质基板材料Arlon-TC350，介电常数为3.5，板材厚度为1 mm，集总电容采用100B封装的表贴多层陶瓷电容，电感采用0805封装的片式电感。最终的功率放大电路实物夹具如图10所示。

图10 功率放大器的实物夹具

图9 功率放大器稳定性系数随频率变化曲线

使用功率计对该功率放大器电路进行微波射频性能测试，在400~450 MHz频带，连续波输入功率Pin=22 dB、栅压Vg=-2.8 V、漏压Vd=28 V的条件下，其饱和输出功率和效率如图11所示。

图11 功率放大器实测结果曲线

从图11可以看出，在400~450 MHz频带内，通过集总元件完成匹配的推挽式功率放大器饱和输出功率大于37 dBm，漏极效率大于66%，增益大于15 dB，验证了集总元件在P波段实现推挽式功率放大器的可行性。后续推广应用可考虑将此方法运用于高功率推挽式放大器输入匹配电路，再通过引入耐高功率电容、电感器件，可实现更高功率集总元件推挽放大器。