基于GaN HEMT的L波段600W内匹配功率管设计

摘  要：采用两只总栅宽100 mm的0.5 μm工艺GaN HEMT功率管芯，通过合理选择目标阻抗、合理设计输出匹配网络，实现了一款输出功率达到600 W的L波段内匹配功率管。在+36 V、-2 V工作电压下，1.14～1.26 GHz内，功率管输出功率≥600 W，功率增益≥12 dB，功率附加效率≥55%，体积仅为33 mm×17 mm×2 mm，重量仅为3.5 g，显示出卓越的性能，具有广泛的工程应用前景。

关键词：功率管;GaN;内匹配;L波段;大功率

中图分类号：TN386        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）01-0052-04

Abstract： Using two 0.5 μm process GaN HEMT power transistor cores with a total grid width of 100 mm， an L-band internal matching power transistor with an output power reached 600 W is realized by reasonably selecting the target impedance and reasonably designing the output matching network. Under the working voltage of +36 V and –2 V， within 1.14～1.26 GHZ， the output power of power transistor is greater than or equal to 600 W， the power gain is greater than or equal to 12 dB， the power added efficiency is greater than or equal to 55%. And the volume is only 33 mm×17 mm×2 mm， the weight is only 3.5 g. It shows excellent performance and  has broad engineering application prospects.

Keywords： power transistor; GaN; internal matching; L-band; high power

0  引  言

受益于氮化镓（GaN）材料禁带宽度大、击穿场强高、电子迁移率高、电子饱和速度大等特点，GaN HEMT具有工作电压高、功率密度大、效率高、增益高等优势，特别适合高功率、高效率的应用场合[1-4]。近年来，随着GaN HEMT器件的逐渐成熟，固态微波功率放大器中的LDMOS器件和GaAs器件逐渐被GaN HEMT器件所取代。

目前，基于GaN HEMT器件的L波段放大器主要分为功率单片、内匹配功率管和预匹配功率管三类。其中，功率单片输出功率一般不超过20 W，内匹配功率管输出功率一般不超过400 W[5-7]，预匹配功率管输出功率可达500 W以上[8]。本文研制了一款L波段内配功率管，其输出功率大于600 W，相较预匹配功率管，其尺寸、重量具有明显优势。本文介绍的内匹配功率管包含全部输入、输出匹配电路和输入、输出扼流电路，在1.14～1.26 GHz内，其输出功率≥600 W，功率附加效率≥55%，功率增益≥13 dB，体积仅为33 mm×17 mm×2 mm，重量仅为3.5 g，显示出卓越的性能，具有广泛的工程应用前景。

1  管芯选择

本文选用的GaN功率管芯使用0.5 μm HEMT工艺，图1为0.5 μm HEMT工艺GaN功率管芯纵向结构示意图[9]。此类GaN功率管芯采用SiC衬底，具有良好的热性能;采用栅场板结构[10]降低峰值电场，源漏击穿电压达到150 V;同时，由于AlGaN和GaN异质结形成的二维电子气（2DEG），GaN HEMT器件的电子迁移率可达2 000 cm2/V·s以上，具有优异的射频性能。

本文选用两只总栅宽为100 mm的GaN功率管芯，其单指栅宽为1 250 μm，4 GHz以下均有良好的射频性能。在36 V漏源电压L波段条件下，其功率密度为4 W/mm，可以满足输出功率大于600 W的要求。功率管芯图2是100 mm GaN功率管芯的版图，芯片尺寸为5.85 mm×1.75 mm。

2  功率管设计

2.1  目标阻抗选取

目标阻抗的选取直接决定了功率管的最终性能，是功率管设计中的关键步骤。使用谐波平衡仿真器，利用器件的大信号模型，对单只GaN功率管芯进行源牵引和负载牵引仿真。仿真时设置器件栅压-2 V，漏压+36 V，输入功率42.8 dBm，频率设置为工作频带中心频率1.2 GHz。源牵引结果如图3所示，可以看到，最大功率阻抗和最佳效率阻抗基本重合，其阻抗值为2.15+j0.3 Ω。负载牵引结果如图4所示，可以看到，最高功率附加效率为82.0%，其对应阻抗为4.8+j3.5 Ω;最大输出功率为56.5 dBm，其对应阻抗为2.53+j1.1 Ω。选取2.15+j0.3 Ω为目标源阻抗，选择2.53+j1.1 Ω为目标负载阻抗，开展后续设计，对应增益13.7 db、输出功率59.5 dBm、功率附加效率77%。

2.2  匹配网络设计

功率管设计的主要工作是设计匹配网络将50欧姆匹配到目标阻抗。本文的匹配电路主要包含两部分，一是在陶瓷基板上实现的平面功分器;二是功率管芯和公分器之间，由金丝和单層电容组成的T型匹配网络。图5是本文所采用的匹配网络结构示意图。

平面功分器兼具功率合成和阻抗变换的功能，经过平面功分器之后，单只GaN功率管芯对应阻抗被变换到10 Ω左右，T型匹配网络继续将阻抗匹配到目标阻抗。

2.3  输出匹配网络中电容的选取

输出匹配网络中电容按功能可分为三类，分别是：T型匹配网络中的匹配电容、隔直电容和扼流电容。其中，匹配电容和扼流电容并联在射频通路上，隔直电容串联在射频通路上。仿真得到单个功率管芯对应的输出匹配电容容值为29.6 pF，隔直电容需不小于10 pF，扼流电容需不小于100 pF。

通过图6仿真可知，虽然功率管工作电压只有36 V，但正常工作时，功率管输出端匹配用单层电容两端压差接近150 V。其他条件不变的前提下，输出功率越大，输出匹配电容两端压差越大，越容易击穿，这也是500 W以上功率管一般采用预匹配形式，避免使用T型匹配网络实现阻抗匹配的重要原因之一。

为了保证功率管的可靠工作，根据匹配网络对电容容值、尺寸的要求，使用介电常数80，介质厚度0.127 mm的氧化铝陶瓷，制备了长度3.4 mm、宽度1.1 mm、容值14.8 pF的单层电容，如图7所示，实际使用时每个管芯对应两个单层电容。经实测，新制备的单层电容击穿电压达到500 V，完全满足功率管使用要求。为了方便调试，匹配电容上还预留了调试小块，用于微调电容容值。

由于功率管输出功率高达600 W，除输出T型匹配网络中匹配电容的耐压外，输出隔直电容和扼流电容的耐压也需要关注。易知，其他条件不变的前提下，隔直和扼流电容两端电压同电容容值负相关，容值越大，电容两侧电压差越小，但容值越大的电容往往击穿电压更低。综合考虑，本文采用3只击穿电压大于250 V的6.8 pF单层电容实现隔直，2只击穿电压大于250 V的68 pF单层电容实现扼流。经过仿真电容两端电压差如图8、图9所示，可以看到输出隔直电容两端最大电压差为76.1 V，远小于电容击穿电压250 V;输出扼流电容两端最大电压差为48.2 V，也远小于电容击穿电压250 V。

3  研制结果

3.1  功率管制备

功率管平面功分器采用厚度为0.254 mm的氧化铝陶瓷实现，其中输出匹配陶瓷基片尺寸为15.3 mm×16.5 mm。为了防止瓷片开裂，增加产品可靠性，将输出匹配陶基片分为3.2 mm×16.5 mm和13.1 mm×16.5 mm兩部分。为了保证散热，GaN功率芯片以及输出侧陶瓷基片、匹配电容、隔直电容、扼流电容均采用金锡焊料共晶焊接在钼铜载片上，其他元器件使用导电胶粘接在钼铜载片上。图10为产品实物照片，产品尺寸33 mm×17 mm×2 mm，重量3.5 g。

3.2  微波性能

功率管在工作电压36 V、-2 V，输入功率42.8 dBm，8 μs/800 μs占空比，常温下的实测输出功率和功率附加效率如图11中实线所示。可以看到功率放大器在1.14～1.26 GHz范围内输出功率≥600 W（57.8 dBm），增益波动小于±0.3 dB，频带内功率附加效率≥55%，最高达到61.2%。

3.3  可靠性

为评估功率管可靠性，将功率管焊接在铝盒体内对其进行高低温测试和高温老炼，图12为高低温测试盒照片。相较于常温，85 ℃下，功率管输出功率下降0.5～0.6 dB;-55 ℃下，功率管输出功率上涨0.4～0.5 dB，且无自激现象。高低温试验后复测常温，功率管指标未见明显变化。85 ℃下，对功率管进行96小时射频老练，恢复常温后复测，功率管指标未见明显变化。试验结果表明，功率管可靠性满足一般工程使用需求。

4  结  论

采用两只总栅宽100  mm的GaN HEMT，本文研制了一款36 V，工作在1.14～1.26 GHz输出功率大于600 W的内匹配功率放大器，并验证了其可靠性。本文研制的功率管尺寸只有33 mm×17 mm×2 mm，重量只有3.5 g，相较于传统预匹配功率管优势明显，显示出卓越的性能，具有广阔的应用前景。

参考文献：

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作者简介：王晓龙（1988—），男，汉族，河北大名人，工程师，硕士，研究方向：功率放大器。