一種新型C頻段高效率移相GaN功率放大器?

梁勤金，董四華，鄭強林，余川

（1.中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所高功率微波技術(shù)重點實驗室，四川綿陽 621900；2.中國電子科技集團公司第十三研究所，石家 莊050002）

一種新型C頻段高效率移相GaN功率放大器?

梁勤金1，??，董四華2，鄭強林1，余川1

（1.中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所高功率微波技術(shù)重點實驗室，四川綿陽 621900；2.中國電子科技集團公司第十三研究所，石家 莊050002）

研制了一種性能優(yōu)良的全固態(tài)C頻段高效率移相氮化鎵（GaN）功率放大器模塊。介紹了該功放模塊設(shè)計方案及工作原理，并給出了該功放模塊技術(shù)參數(shù)實驗測試結(jié)果。該模塊輸出功率30 W，帶寬10 MHz，帶有6位移相功能，具有C頻段高頻率、固態(tài)、小型化、高效率、高功率密度、高擊穿電壓特性，是一種目前國內(nèi)外尚無類似集成設(shè)計的最新高性能氮化鎵（GaN）功率放大器模塊。因其功放模塊輸出末級采用了美國Cree公司第三代寬禁帶GaN功放管優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了固態(tài)C頻段高效率功率輸出。

固態(tài)功率放大器；C頻段GaN功率放大器；高效率；寬禁帶GaN器件

1 引言

高效率微波固態(tài)功率放大器的設(shè)計問題一直是微波固態(tài)功率放大器研究的重點內(nèi)容，多年來，國內(nèi)外硅（Si）、砷化鎵（GaAs）S頻段及以下的高效率固態(tài)功放技術(shù)發(fā)展相對成熟，在C頻段及以上頻段固態(tài)功放的高效率問題比較突出，在雷達、通信、電子對抗、遙控遙測等應(yīng)用領(lǐng)域中又需要高頻段、固態(tài)、小型化、高效率、高功率密度、高溫度性能、高擊穿電壓特性的高性能功率放大器［1-3］。隨著第三代固態(tài)半導(dǎo)體材料（SiC、GaN）固態(tài)功率放大器的發(fā)展，為滿足這一高性能功率放大器的設(shè)計提供了可能。新型寬禁帶半導(dǎo)體器件（SiC、GaN等）是國內(nèi)外新開發(fā)的第三代核心半導(dǎo)體器件，同時寬禁帶（GaN）功率放大器設(shè)計又是一項國內(nèi)外迅速發(fā)展中的新技術(shù)。新型寬禁帶器件具有高擊穿場強、高截止頻率、寬禁帶、高功率、高熱導(dǎo)率、高電子遷移率、高溫、抗輻射、輕重量、小體積、長壽命等特點。早期國內(nèi)外由于GaN功放管因材料、工藝、散熱、可靠性設(shè)計、價格貴以及高頻率、高功率、高效率工作不能滿足實際應(yīng)用要求而應(yīng)用受限。這些技術(shù)問題國外許多研究機構(gòu)如Cree.com、CTT.INC、TriQuint.com等目前正在攻關(guān)之中，其大多數(shù)技術(shù)問題陸續(xù)得到了解決。

對硅（Si）、砷化鎵（GaAs）固態(tài)功放，國內(nèi)基本解決了低頻段P、L、S頻段，小型化高功率固態(tài)功放研制實現(xiàn)問題，但對C頻段及以上頻段的高功率、高頻率、小型化、高效率GaN固態(tài)功放國內(nèi)幾乎沒有現(xiàn)成產(chǎn)品，其技術(shù)難點之一是C頻段及以上的GaN功率放大管自身輸出寄生電容影響太大，很難實現(xiàn)高效率和高功率［4-5］輸出。

針對實際應(yīng)用需求，本文闡述了一種最新研制的高性能C頻段高效率移相GaN功率放大器模塊設(shè)計方案及工作原理，最后給出該功放模塊技術(shù)參數(shù)實驗測試結(jié)果。本文采用第三代半導(dǎo)體寬禁帶GaN功放器件研制設(shè)計高效率末級功率放大器，同時研究該功放模塊末級功放輸出高效率及優(yōu)化仿真設(shè)計問題。

2 技術(shù)方案設(shè)計及工作原理

新研的一種新型C頻段高效率移相GaN功率放大器模塊主要功能是將輸入頻率為5.8 GHz的信號進行逐級功率放大，要求實現(xiàn)高增益（35 dB）。該模塊包括兩級低駐波衰減網(wǎng)絡(luò)、C頻段6位數(shù)控移相器、單片驅(qū)動放大器、GaAs單片放大器、GaN預(yù)放、GaN功放、兩級隔離器、溫控模塊、電源控制模塊、功放檢測模塊等。系統(tǒng)主要由移相器、驅(qū)動單片放大器、GaAs單片放大器、GaN功放組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 C頻段高效率移相GaN功率放大器原理框圖Fig.1 The principle block diagram of C-band high efficiency phase shift GaN power amplifier

（1）π型衰減器

輸入信號進入功放后先經(jīng)過π型衰減器。π型衰減的增加可以改善輸入駐波，并且對輸入接口起到保護作用。為了保證功放模塊輸出信號相位可調(diào)，其輸入端加入了C頻段移相器。經(jīng)過兩級GaAs器件放大電路把注入信號放大。在GaAs單片與驅(qū)動電路之間加裝π型衰減，起到易于級聯(lián)的作用。末前級GaN放大電路把信號進一步放大。信號通過隔離器注入到末級GaN放大電路中，電路之間通過隔離器連接，有效抑制兩級間的相互影響，隔離器有約0.4 dB的插損。末級GaN放大電路實現(xiàn)功率增益6.5 dB（理論模擬計算值9.495 dB），實現(xiàn)輸出功率大于30 W（實測值約33 W）。整個功率放大器工作穩(wěn)定和易于級聯(lián)，功放輸出端加裝隔離器，隔離器有約0.4 dB插損，連接接頭有約0.2 dB插損。C頻段高效率移相GaN功率放大器在5.8 GHz±10 MHz的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)大于44.8 dBm（大于30 W）的功率輸出。

（2）溫控模塊

為了確保GaN功放在不同溫度狀態(tài)下性能穩(wěn)定，通過偏置電路的反饋回路，溫度補償熱敏電阻實現(xiàn)溫度補償，穩(wěn)定漏極電流。

（3）電源控制模塊

GaN器件屬耗盡型器件，其柵極需加負工作電壓。而柵壓為零時，會因漏極電流過大而燒毀器件。在某些工作區(qū)域，漏極電壓較低而電流較大時，器件會出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，因而需設(shè)定柵、漏極電源電壓的加電順序，確保在器件加電過程中柵壓先加負電壓，后加漏極電壓。

（4）功放檢測模塊

檢測功放工作狀態(tài)是否正常，便于實現(xiàn)可維修性。

3 末級GaN功放電路研制設(shè)計

作為主放大器的末級功放電路采用輸出功率為40 W的GaN功率器件設(shè)計而成，設(shè)計電路如圖2所示。

圖2 末級GaN功率放大器電路仿真原理圖Fig.2 The simulation schematic circuit of final stage GaN power amplifier

源牽引/負載牽引分析方法原理：放大器在大信號電平激勵下，通過連續(xù)變換源阻抗/負載阻抗對功率管進行分析，然后在Smith阻抗圓圖上畫出等功率曲線和等增益曲線，并根據(jù)設(shè)計要求選擇出最佳源阻抗/最佳負載阻抗準確設(shè)計出滿足要求的功率放大器。

分析中選取中心頻率f＝5.8 GHz，為準確獲取功率管的最佳源阻抗ZS和最佳輸出阻抗ZL，分析過程中遵循效率優(yōu)先的策略，并采取如下步驟：

首先，假定ZS（O）＝10Ω進行負載牽引分析獲得ZL（1）；然后，根據(jù)ZL（1）進行源牽引分析獲得ZS（1）；再根據(jù)ZS（1）進行負載牽引分析得到ZL（2），……重復(fù)進行源牽引分析與負載牽引分析，直至前后兩次得到的負載阻抗ZL相等或者相差很小為止。

圖3 為進行源牽引分析和負載牽引分析得到的功率管輸出功率Pdel（細線）、附加效率PAE（粗線）等高線圖。由圖3可以看出，在源牽引條件下功率附加效率達到45.72％，其源極阻抗為3.639-j19.868；在負載牽引條件下功率附加效率為45.85％，其漏極阻抗為10.087-j15.955。故選取效率優(yōu)先下的最佳源漏阻抗為ZS＝3.6-j19.8，ZL＝10.1-j15.9，并以其共軛作為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的參考。

圖3 功率管源、負載牽引分析曲線Fig.3 The load-pull analysis curve of power tubes

整個電路中加入輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)后，相互之間都存在著影響，需要對整個電路進行優(yōu)化，來補償輸入匹配網(wǎng)絡(luò)對對輸出網(wǎng)絡(luò)的影響，以達到最大的功率輸出，即可將所有電路綜合起來進行整體的放大器仿真，其仿真電路圖如2所示。對優(yōu)化設(shè)計后的整個電路進行建模仿真，得到的仿真計算結(jié)果如圖4所示。并對其GaN末級功放電路模擬計算與仿真進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計后使末級功放輸出附加效率由60％上升到70％，滿足末級功放設(shè)計要求。

由圖2可以得到，在輸入功率為36 dBm時，輸出功率可達到45.49 dBm（35.4 W），滿足Psat輸出功率30 W的要求，理論計算在該輸入功率處的效率接近70％，末級GaN功率放大器增益約為9.495 dB。

圖4 末級GaN功率放大器模擬仿真計算結(jié)果Fig.4 The simulation calculation results of the final stage GaN power amplifier

4 測試結(jié)果

C頻段高效率移相GaN功率放大器模塊實物圖如圖5所示。

圖5 C頻段高效率移相GaN功率放大器模塊實物圖Fig.5 The photo of the developed C-band high efficiency phase shift GaN power amplifier module

根據(jù)C頻段高效率移相GaN功率放大器優(yōu)化設(shè)計結(jié)果加工、裝配并進行了測試，測試條件與結(jié)果如表1所示。

表1 功放模塊技術(shù)參數(shù)Table 1 The parameters of power amplifier module

測試條件：Vd≤＋32 V，Vg＝10 V，Pin＝10 dBm。

測試結(jié)果分析：測試C頻段高效率移相GaN末級功率放大器附加效率達50％，模擬計算末級輸出附加效率達70％，該模擬計算是一個假定在理想情況下的大信號模型計算值，其差值較大主要原因是實際電路等效模型與理想大信號模型存在較大差異引起，還有末級功放管的靜態(tài)工作點偏置狀態(tài)也影響效率。此外，還有模塊其他放大級如末前級GaN放大器、單片驅(qū)動放大器、GaAs單片放大器都將影響功放模塊附加效率，所以測出整個功放模塊附加效率達40％。

5 結(jié)論

本文介紹了最新研制的一種高性能全固態(tài)C頻段高效率GaN移相連續(xù)波功率放大器，主要闡述了該高效率移相GaN功率放大器模塊設(shè)計方案、工作原理，并給出了該功放模塊技術(shù)參數(shù)實驗測試結(jié)果及分析；使用第三代半導(dǎo)體寬禁帶GaN功放器件，完成了該功放模塊末級功放研制和優(yōu)化高效率設(shè)計。末級功放效率將對整個功放模塊效率起關(guān)鍵作用，優(yōu)化后使末級功放輸出附加效率由60％上升到70％，實驗測試末級功放輸出附加效率達50％。在高效率GaN功放研制設(shè)計中，影響C頻段高頻率GaN功放效率因素較多：電路形式及其阻容元件低損耗高Q特性、電路板集成布線、引線及工藝設(shè)計、負載電路分布參數(shù)、GaN功放管自身輸出分布寄生電容等，C頻段高功率高效率GaN功放研制設(shè)計是一門較復(fù)雜的技術(shù)。該功放模塊研制成功和效率提高，為下一步開展研制高性能、高功率、高效率C頻段微波源功率合成、提高大功率微波源的系統(tǒng)效率提供了技術(shù)基礎(chǔ)。考慮到C頻段高功率固態(tài)微波源功率合成技術(shù)對相位要求，在該功放模塊前端加入C頻段6位移相器進行相位調(diào)節(jié)，使其達到所要求的移相相位范圍功和移相精度，完成了具有6位移相功能的C頻段高效率GaN功率放大器研制設(shè)計。

采用第三代半導(dǎo)體寬禁帶材料GaN功放管研制設(shè)計高性能固態(tài)高頻段功率放大器，將作為目前乃至未來固態(tài)功放研究重點、應(yīng)用和發(fā)展方向，使其在雷達、通信、電子對抗、遙控遙測等發(fā)射機應(yīng)用中改善和優(yōu)化發(fā)射機綜合性能，實現(xiàn)高性能固態(tài)發(fā)射機的耐高擊穿場強、高頻率、高效率、高功率、高溫高熱導(dǎo)率、抗輻射、重量輕、體積小、長壽命等技術(shù)優(yōu)點而獲得廣泛工程應(yīng)用。

［1］Jia Pengcheng，Chen Lee-Yin，Alexanian A，et al.Multioctave Spatial Power Combining in Oversized Coaxial Waveguide［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50（5）：1355-1357.

［2］Trew R J.Si and GaN transistors is there one winner for microwave power applications［J］.Proceeding of the IEEE，2002，90（6）：1032-1047.

［3］Cheng Nai-Shuo，Jia Pengcheng，Rensch D B，et al.A 120Watt X-Band Spatially Combined Solid-State Amplifier［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1999，47（12）：2557-2559.

［4］莊建東，陶煜，武文娟，等.802.11n高線性功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電訊技術(shù)，2012，52（2）：198-202. ZHUANG Jian-dong，TAO Yu，WU Wen-juan，et al.Design and Implementation of an 802.11n High Linear Power Amplifier［J］.Telecommunication Engineering，2012，52（2）：198-202.（in Chinese）

［5］李凱，黃建，李培.毫米波線性化固態(tài)功放的研制［J］.電訊技術(shù)，2011，51（2）：94-97. LI Kai，HUANG Jian，LI Pei.Development of Linearizer for Millimeter-Wave Solid State Power Amplifier［J］.Telecommunication Engineering，2011，51（2）：94-97.（in Chinese）

梁勤金（1963—），男，四川蓬溪人，1986年于山東大學(xué)電子系無線電電子學(xué)專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為研究員，中國工程物理研究院科技委“光電子與信息”學(xué)科專家組成員，中國電子學(xué)會高級會員，主要研究方向為高功率微波技術(shù)；

LIANG Qin-jin was born in Pengxi，Sichuan Province，in 1963.He received the B.S.degree in Department of Elctronics Radio Electronics from Shandong University in 1986.He is now a senior engineer of professor and also an expert of Optoelectronics and Information in Scince and Technology Institute of China Academy of Engineering Physics.His research concerns high-power microwave technology.

Email：liangqinjin＠yahoo.com.cn

董四華（1979—），男，河北石家莊人，工程師，主要研究方向為大功率放大器；

DONG Si-hua was born in Shijiazhuang，Hebei Province，in 1979. He is now an engineer.His research concerns high-power amplifier.

鄭強林（1984—），男，四川綿陽人，碩士，助理工程師，主要研究方向為高功率微波技術(shù)；

ZHENG Qiang-lin was born in Mianyang，Shichuan Province，in 1984.He is now an assistant engineer with the M.S.degree.His research concerns high-power microwave technology.

余川（1971—），男，重慶人，博士，研究員，主要研究方向為高功率微波技術(shù)。

YU Chuan was born in Chongqing，in 1971.He is now a senior engineer of professor with the Ph.D.degree.His research concerns high-power microwave technology.

A New C-Band Phase Shifted High Efficiency
GaN Power Am plifier

LIANG Qin-jin1，DONG Si-hua2，ZHENG Qiang-lin1，YU Chuan1
（1.Science and Technology on High Power Microwave Laboratory，Institute of Applied Electronics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China；2.The 13rd Research Institute of China Electronics Technology Group Corroration，Shijiazhuang 050002，China）

A high-efficiency solid-state C-band phase shifted gallium nitride（GaN）power amplifier module with excellent performance has been developed.The design scheme and working principle of GaN power amplifier module are introduced，and the experimental test results of power amplifier module technical paramters are given.The output power of the module is 30 W（CW），bandwidth is 10 MHz，with 6 bit phase shift.It is featured by C-band high-frequency，high efficiency，high power density and high breakdown voltage.Currently，it is a latest high-performance GaN power amplifier module with no similar intergrated design at home and abroad.The last stage of the power amplifier is optimized by using a third generation wide bandgap GaN amplifier tube from the American Cree Ltd.It can realize all solid-state C-band high-efficiency output power.

solid-state power amplifier；C-band GaN power amplifier；high efficiency；wide bandgap GaN device

liangqinjin＠yahoo.com.cn

TN722.7

A

1001-893X（2013）05-0623-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.05.019

2013-03-19；

2013-04-10 Received date：2013-03-19；Revised date：2013-04-10

??

liangqinjin＠yahoo.com.cn