L波段高效小尺寸功率放大器载片设计

贺 瑾,钟世昌,朱 杰,张洪超

(南京电子器件研究所,南京 210016)

0 引言

氮化镓(gallium nitride,GaN)材料作为第三代半导体材料已经成为新一代功率器件的重要原材料,其功率器件的研制工作已成为当前热点。GaN材料的先天优势能帮助功率器件满足高温、高频、大功率和高可靠等一系列应用要求,在卫星通信、雷达以及导弹等军民用领域有着广泛的应用前景[1-4]。为了应对更低成本、更小尺寸和更小功耗的应用需求,确保功放在宇航用等严苛条件下的可靠性,实现功率器件高效率和小型化非常重要。传统提高功率放大器效率的方法是通过减小导通角,功率放大器的工作状态从A类过渡到C类,开关类功放D类、E类和谐波控制类功放F类、J类、连续型F类也能实现输出功率和效率的兼顾[5-8]。

文中的功放载片采用南京电子器件研究所研制的0.25 μm工艺SiC衬底的GaN管芯,使用有源时域负载牵引系统对GaN管芯进行在片测试并提取管芯的非线性行为模型,再利用该模型设计了一款L波段载片式功率放大器。在28 V工作电压下,100 us脉宽、10%占空比的脉冲输入下,该功放在1.2～1.4 GHz频段内,输出功率大于56 W,功率增益大于28 dB,附加效率大于78%,在8 mm×8 mm×1.2 mm尺寸上实现了较好的电路性能。

1 GaN管芯的选取

合适的功率管芯的选择和链路增益分配是确保功放最终实现目标性能的关键,按照增益和输出功率指标的要求。该功放链路使用两级功放来实现,每一级输入输出均匹配到50 Ω,能够更有效地对单级性能进行调试,链路框图如图1所示。

图1 功率放大器链路框图

已知L波段28 V漏压工艺的GaN管芯的输出功率密度约为3.5 W/mm,为了实现链路28 dB功率增益,第一级功放输出1 W的功率至少需要0.4 mm栅宽的GaN管芯;第二级功放输出50 W的功率至少需要16 mm栅宽的GaN管芯。图2和图3给出了0.4 mm栅宽和16 mm栅宽的GaN功率管芯的外形版图。

图2 0.4 mm栅宽GaN高电子迁移率晶体管芯片正面图

图3 16 mm栅宽GaN高电子迁移率晶体管芯片正面图

该功率放大器的工作电压是28 V,管芯的直流筛选按照1 mA/mm,漏源击穿电压大于150 V。通过仿真得到第二级管芯正常工作时漏极的电压摆幅,如图4所示。放大器的最高摆幅电压约为75.9 V,远远小于管芯的击穿电压,大大提高了功放的可靠性。

图4 漏极电压摆幅曲线

2 功率放大器的设计与仿真

2.1 谐波控制技术

F类功率放大器是在过驱动B类功放的基础上发展而来的,通过对过驱动B类功放的漏极输出电压电流的数学上的改变,构造出理论效率为100%的F类功放的漏极输出电压电流波形,从而进一步推出相应各次谐波对应的阻抗条件。根据F类功率放大器的工作原理,其漏极输出电压为方波,电流为半正弦波,偶次谐波阻抗为短路状态,奇次谐波阻抗为开路状态;逆F类功率放大器则与之相反。谐波控制技术常被用于输出匹配电路中,但实际上功放的输入谐波成分是决定输出波形的关键因素,所以控制输入谐波阻抗也很有必要[9]。

2.2 匹配电路的设计与仿真

基于多谐波失真模型原理,分别提取了两款管芯的非线性行为模型,针对两款管芯的最佳效率阻抗点进行阻抗匹配电路设计。管芯最佳效率点的LOAD-PULL结果如表1、表2所列。在仅对基波进行负载牵引的情况下,末级管芯的最高附加效率可达到74%,再通过谐波控制电路,电路效率能得到进一步提升。

表1 0.4 mm栅宽功率管阻抗特性

表2 16 mm栅宽功率管阻抗特性

为了实现匹配电路的简化以及减小电路尺寸,两级功率放大器的输入输出匹配电路均采用LC单级低通滤波网络构成。结合性能需求和布局排版考虑,在第二级放大电路的输入匹配中通过LC串联谐振电路引入二次谐波短路点,漏极偏置使用λ/4线引入二次谐波短路点,达到控制二次谐波提高链路效率的目的。整个匹配电路制造在介电常数为9.9和85的两种氧化铝陶瓷基板上来降低匹配损耗,图5为L波段功率放大器的匹配网络原理图。

图5 功率放大器匹配网络示意图

直流偏置的选取也是功放设计的重要组成部分,且对谐波分量的产生也有重要影响。对于F类和逆F类功率放大器的设计,需要把晶体管偏置在AB类[10]。图6为16 mm管芯的I-V特性仿真曲线,当漏极偏置电压为28 V时,使栅极偏置电压在-2.5 V,此时管芯静态电流约为166 mA。

图6 16 mm栅宽功率管I-V特性曲线

基于模型在ADS中进行电路设计和仿真,得到第二级输入匹配电路中增加二次谐波控制电路与不加二次谐波控制电路的功率效率结果对比如图7所示。在28 V的工作电压下,1.2～1.4 GHz频带内,载片放大器仿真输出功率达到57 W,增益超过28 dB,同时附加效率达到79%。若去掉第二级放大器栅极的谐波控制电路(调谐使其谐振在1.2 GHz的频点附近),链路附加效率减小了4%。

图7 放大器加谐波控制与不加谐波控制的仿真结果对比

3 功放的测试

根据仿真结果进行实物制作,图8是L波段GaN功率放大器的正面照片图,功率管及其匹配电路和偏置电路紧凑地通过高温烧结在8 mm×8 mm×1.2 mm尺寸的载体上,载体材料为镀金镍的钼铜,金锡烧结温度为280 ℃。

图8 L波段功放载片实物图面图

图9是放大器在28 V的工作电压,100 us脉宽、10%占空比条件下,1.2～1.4 GHz频带内载片模型仿真数据与实测数据的对比。从对比结果可以看出,实测结果与仿真结果基本吻合,功放载片在输入功率为19 dBm时,输出功率达到56 W,增益超过28 dB,同时附加效率达到78%。

图9 功率放大器微波特性仿真与实测对比图

氮化镓微波功率器件虽然具有高功率、高效率等优点,但由于氮化镓管芯功率密度较高,如果不能保证良好的散热,很容易导致芯片热烧毁[11]。管芯结温,即热阻参数是反映功率器件可靠性的重要指标。图10是本文实现的高效率载片在1.3 GHz处的瞬态红外测试结果,从图中可以看出,管芯脉内最高结温为84.2 ℃,载体约为72 ℃,温升仅12.2 ℃,结合热耗可以计算出,管芯热阻约为0.72 ℃/W。如若考虑到宇航应用要求,按照卫星实际工作的最高温度55 ℃,器件的最高结温约为67.2 ℃,满足一级降额要求,能够满足宇航应用要求。

图10 功率管瞬态结温曲线

表3是近年来国内外研制的相近频段高效率功率器件的性能指标对比,可以看出,本文实现的高效率功率载片性能优异。

表3 L波段功率放大器性能对比

4 结论

本文设计了一款高性能的L波段GaN微波功率放大器。通过负载牵引系统对管芯进行在片测试,提取出了管芯的非线性行为模型,基于模型精准设计了功放链路的输入、级间和输出匹配电路。该载片使用多次谐波控制电路对功放波形进行整形,有效地将功放链路附加效率比常规功放提高了6%～8%;采用高介电常数陶瓷材料和简单紧凑的匹配电路结构,将功放链路尺寸控制在8 mm×8 mm。在28 V工作漏压、100us脉宽、10%占空比条件下,载片功率放大器在1.2～1.4 GHz频带内输出功率均超56 W,增益大于28 dB,功率附加效率大于78%,实现了优异的微波性能。