基于GaN寬帶管芯的X波段功放設(shè)計

汪 灝 馬云柱

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)Si和GaAs半導(dǎo)體器件性能已接近其材料本身決定的理論極限。隨著對功放大功率的要求，而GaN的高頻，耐壓，耐高溫，承受功率，遠遠高于Si，GaSe等第一二代半導(dǎo)體材料。理論上特別適合應(yīng)用于高頻、高功率、抗輻射的功率器件的場合。由于具備這些優(yōu)點，寬禁帶半導(dǎo)體功率器件可以明顯提高電子信息系統(tǒng)的性能，在雷達、通信、戰(zhàn)斗機、海洋勘探等重要領(lǐng)域擁有很大的應(yīng)用前景。因此對其特性的了解和應(yīng)用是目前國內(nèi)外功放研究的一個方向。

功率放大器是通信、雷達、導(dǎo)航、識別、空間對抗、GPS、3G等各類無線系統(tǒng)中的重要組成部件之一。因此，對于功率放大器的研究和設(shè)計有著重要的意義。在設(shè)計功率放大器時，選定管芯后，在考慮穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，匹配將最終影響功率放大器的性能。

2 功放的一般設(shè)計方法

功放一般工作在大信號情況下，此時器件一般呈現(xiàn)出非線性特性，和小信號S參數(shù) 不同。因此應(yīng)用小信號放大器設(shè)計，在最大增益輸出設(shè)計時，功率不是最大輸出功率。

現(xiàn)今功放設(shè)計有負載牽引法，小信號S參數(shù)法。負載牽引法是利用負載牽引設(shè)備，測試管子在均衡效率和功率下牽引出的輸入，輸出阻抗，或者利用使用器件的非線性模型利用ADS軟件進行負載牽引。但是一般負載牽引設(shè)備價格昂貴，并且有些廠家基于技術(shù)保密不提供管子的非線性模型。因此，小信號S參數(shù)法在此基礎(chǔ)上雖然不準(zhǔn)確但是也是一種很好的方法。小信號S參數(shù)應(yīng)用靜態(tài)I－V曲線得到輸出電阻，然后通過小信號S參數(shù)得到寄生參量。從而得到輸出阻抗。

本文應(yīng)用的GaN管芯無非線性模型，也無靜態(tài)I－V曲線。產(chǎn)品說明給出了在3、6、10、14GHz時的power tuned下的負載反射系數(shù)和線性模型小信號S參數(shù)。由于文本所設(shè)計的功放中心頻點10GHz帶寬4GHz。通過在10GHz時的power tuned下的負載反射系數(shù)和線性模型的寄生參量等效，推出輸出阻抗。根據(jù)小信號S參數(shù)和輸出匹配，推出輸入阻抗。

3 功放設(shè)計思路

一個功率放大器可按如下步驟設(shè)計:

a.選擇管芯。管芯的增益和最大功率輸出應(yīng)該高于所要設(shè)計的功放指標(biāo)。

b.計算管芯的穩(wěn)定系數(shù)。如果K＞1，則表明是穩(wěn)定的。如果K＜1，則表明功率在需要的頻段內(nèi)不是無條件穩(wěn)定的，需要在工作頻段置穩(wěn)。

c.匹配電路設(shè)計。先進行輸出匹配，將輸出阻抗匹配到50Ω。然后對偏置仿真，使偏置扼流效果好，并且對匹配電路影響小。后進行輸入匹配，根據(jù)衰減——頻率特性具有一定斜率特性的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進行匹配設(shè)計。然后進行輸入偏置仿真。

d.平衡式功放仿真。對Lange橋和兩個放大器進行整體仿真，得到最后結(jié)果。圖1為平衡式功放結(jié)構(gòu)。

圖1 平衡式功放結(jié)構(gòu)

平衡式功放有如下優(yōu)點:

a.可以獲得平坦的增益，平衡后的放大器輸入輸出駐波取決于耦合器

b.具有較高的穩(wěn)定性。

c.如果一個管子失效，放大器功率，增益會下降，但不會完全失效。

d.容易實現(xiàn)級聯(lián)，每一級和下一級通過3dB耦合器實現(xiàn)較好隔離。

4 電路設(shè)計及仿真

本文使用triquintTGF2023－01管芯進行設(shè)計。小信號S參數(shù)和Psat為37.5dBm下power tuned的反射系數(shù)是在饋電Vd=28V，Idq=125mA，Vg=－3.6 V下提供的參數(shù)。

4.1 穩(wěn)定性分析

由于不穩(wěn)定性起始于小信號電平，因此可以使用小信號S參數(shù)檢驗管芯的穩(wěn)定性(見圖2)。由圖3仿真結(jié)果可知此管芯在8－12GHz是穩(wěn)定的。

4.2 輸出寬帶匹配及輸出偏置設(shè)計

通過在10GHz時的power tuned下的負載反射系數(shù)和線性模型的寄生參量等效，推出輸出阻抗。然后進行寬帶匹配設(shè)計保證輸出功率(見圖4)。

圖4 輸出匹配及輸出偏置電路

圖5 輸出仿真結(jié)果

由圖5仿真結(jié)果可知輸出|S11|＜－16 dB，|S31|＜－33dB。可知輸出匹配滿足要求。由圖5|S31|＜－33dB可知饋電端和漏極隔離很好，扼流效果明顯，保證了最大功率輸出。

4.3 輸入寬帶匹配設(shè)計及輸入偏置設(shè)計

對管芯S參數(shù)和輸出匹配電路得出輸入阻抗。然后根據(jù)輸入阻抗應(yīng)用了衰減——頻率特性具有一定斜率特性的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進行匹配設(shè)計。然后進行偏置設(shè)置(見圖6)。

圖6 輸入匹配及輸入偏置電路

由圖7輸入仿真可以看出:在加了偏置后|S11| ＜－20dB，|S31|＜－30dB。隔離效果顯著。

圖7 輸入仿真結(jié)果

4.4 單個功放仿真電路

圖8為功放仿真。由圖9仿真結(jié)果可以看出:在8－12GHz頻段內(nèi)增益12.5dB。帶內(nèi)平坦。并且柵極，漏極扼流效果很好。由于增益的滾降，所以這里保證增益平坦應(yīng)用了衰減——頻率特性具有一定斜率特性的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。必然低頻部分反射功率較大。需要定向耦合器進行反射功率的吸收。

圖8 功放仿真

圖9 仿真結(jié)果

4.5 平衡式功放仿真

如圖10所示，平衡式功放由兩個放大器和兩個3dB定向耦合器構(gòu)成。兩個3dB定向耦合器，輸入端的是實現(xiàn)功率分配，將輸入信號分成功率相等，相位相差90°的兩個信號，并且將反射功率吸收，從而降低輸入駐波。輸出耦合器功能實現(xiàn)功率合成，將兩個功率相同，相位相差90°的兩個信號合成。同時降低輸出駐波。

圖10 平衡式功放設(shè)計

由圖11平衡式仿真結(jié)果可以看出，增益平坦度0.5dB。|S11|＜－20dB。輸入駐波VSWR＜1.4。

圖11 平衡式仿真結(jié)果

5 總結(jié)

在選定了滿足要求的管芯，保證穩(wěn)定后，功放匹配電路設(shè)計成為了功放的重點。匹配電路設(shè)計是保證功率和效率，增益的關(guān)鍵。在只有輸入，輸出阻抗下，我們無法直接觀測輸出功率，效率，因此對匹配更需要保證其準(zhǔn)確性，偏置設(shè)計時對匹配的影響盡量小。后面應(yīng)用lange橋?qū)斎腭v波輸出駐波進行處理，使駐波減小。綜合仿真后，指標(biāo)效果很好。

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