基于新一代半導(dǎo)體GaN的高效率功率放大器的研制

郭棟+李梁+竇智童+李超

摘 要： 近年來在無線通信、雷達(dá)等領(lǐng)域，對(duì)發(fā)射的功耗要求越來越苛刻，而產(chǎn)品可放置的空間越來越小，這就要求功率放大器要有更高的效率以及更高的工作結(jié)溫，新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN能夠滿足該要求。基于CREE公司的GaN功放管CGH40045研制了一款S頻段的功率放大器，主要進(jìn)行了功率匹配、散熱考慮、雜散抑制的設(shè)計(jì)。最終的測(cè)試結(jié)果顯示，在300 MHz的帶寬內(nèi)功率增益≥50 dB，飽和輸出功率≥46 dBm，工作效率≥50%，比之前采用的工作效率為30%的GaAs功率放大器有了顯著的提高。可見在今后的通信系統(tǒng)中，基于新一代半導(dǎo)體材料GaN的功率放大器有著非常好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： GaN； 功率匹配； 高效率功率放大器； 通信系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN722.75?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）15?0083?03

Development of high efficiency power?amplifier based on new generation semiconductor GaN

GUO Dong， LI Liang， DOU Zhi?tong， LI Chao

（503th Institute of China Academy of Space Technology， Beijing 100086， China）

Abstract： In recent years， the requirement of power consumption is getting lower， and the space for the power amplifier getting smaller in wireless communication， radar and other fields， which requires the power amplifier to have higher efficiency and higher operating junction temperature. The new generation wide band gap semiconductor material GaN is able to meet the requirements. An S?band power amplifier based on CREE company′s GaN?based power amplifier tube CGH40045 was designed. In the design， power matching， heat dissipation and spurious suppression were considered. Final testing results show that within the bandwidth of 300 MHz， power gain ≥50 dB， saturated output power ≥46 dBm， efficiency ≥50%. The efficiency has been improved more significantly， compared with the previous GaAs power amplifier with 30% efficiency. In future communication systems， the power amplifiers based on the new generation semiconductor materials GaN have a very good application prospect.

Keywords： GaN； power matching； high efficiency power?amplifier； communication system

0 引 言

當(dāng)前，在射頻和微波頻段下常用的功率放大器多為基于GaAs材料的HFET和PHEMT器件，但是由于GaAs材料在電性能和熱性能上的局限，已經(jīng)越來越不能滿足未來系統(tǒng)的需求。作為下一代微波功率器件的材料，GaN材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)擊穿電壓高，而且能夠產(chǎn)生高濃度的二維電子氣（2DEG），并具有很高的電子遷移率，因此能夠得到很高的功率輸出密度，同時(shí)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)器件能夠承受很高的結(jié)溫，可以很好地滿足大功率、高效率、高溫等性能要求[1]，在衛(wèi)星通信、雷達(dá)等軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)重要的發(fā)展前沿之一。

近幾年以GaN為基礎(chǔ)的微波功率器件的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)步，如美國(guó)的CREE公司和TriQuint公司、日本的東芝公司以及富士通等公司，不斷地推出GaN大功率器件。其中TriQuint公司在2008年便推出了Ku頻段100 W的GaN芯片[2]，使GaN器件進(jìn)入了實(shí)用階段。而美國(guó)軍方也一直在大力扶持GaN器件的發(fā)展，目標(biāo)是將其軍事和空間應(yīng)用的電子器件轉(zhuǎn)向GaN器件。在國(guó)內(nèi)，主要是中電13所和中電55所對(duì)GaN器件進(jìn)行了研制[3?5]，其中中電13所的GaN器件從S波段一直覆蓋到Ka波段，產(chǎn)品逐步達(dá)到了工程應(yīng)用的要求。

本文針對(duì)某通信系統(tǒng)對(duì)功率放大器低功耗、高效率的要求，基于GaN功放管研制了一款S波段40 W飽和輸出的功率放大器，主要進(jìn)行了功率匹配、熱設(shè)計(jì)考慮、雜散抑制等設(shè)計(jì)，最終測(cè)試結(jié)果顯示在工作帶寬內(nèi)，工作效率≥50%，明顯高于該系統(tǒng)之前采用的工作效率為30%的GaAs功率放大器。

1 GaN功率放大器設(shè)計(jì)方案

功率放大器位于系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)中，將上變頻板送入的功率進(jìn)行放大和濾波，發(fā)送到發(fā)射天線。該通信系統(tǒng)之前采用的為GaAs功率放大器，隨著系統(tǒng)對(duì)功耗要求的越來越苛刻，必須采用更高效率的功率放大器，從而使整個(gè)系統(tǒng)升級(jí)換代。

系統(tǒng)對(duì)功率放大器的功能需求有：工作于S頻段，帶寬為300 MHz；有大功率、小功率、關(guān)斷三種工作狀態(tài)；對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行功率放大、濾波等處理。

具體的性能要求有：在300 MHz的帶寬內(nèi)功率增益≥50 dB；飽和輸出功率≥46 dBm；工作效率≥50%；具有開路和短路保護(hù)的功能，具有小功率狀態(tài)（輸出功率為16～25 dBm）工作功能；具有電源關(guān)斷功能，所有電源可同時(shí)關(guān)斷和開啟；在工作帶寬外100 MHz處的雜散電平≤-85 dBm/10 MHz。功率放大器的結(jié)構(gòu)尺寸為100 mm×40 mm×25 mm，電源以及控制信號(hào)共用一個(gè)微矩形接插件，射頻信號(hào)采用常見的SMA?K形式。環(huán)境溫度為-45～65 ℃。

根據(jù)指標(biāo)要求，進(jìn)行功率放大器方案的設(shè)計(jì)。至少需要三級(jí)放大器來滿足功率增益≥50 dB的要求，并且末級(jí)和驅(qū)動(dòng)級(jí)選用高效率的GaN器件，來滿足高功率和高效率的要求；在末級(jí)功放管輸出端接隔離器，隔離度≥25 dB，大大降低負(fù)載牽引對(duì)末級(jí)功放的影響，具有開路和短路保護(hù)的功能[6]；設(shè)計(jì)電源控制電路，分別控制末級(jí)功放電源、其余器件電源，從而實(shí)現(xiàn)大功率狀態(tài)、小功率狀態(tài)、關(guān)斷狀態(tài)間的切換；對(duì)于帶外100 MHz處的雜散電平≤-85 dBm/10 MHz的指標(biāo)，在驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)放大器間加入一個(gè)低插損的腔體濾波器，使雜散電平滿足指標(biāo)要求。電路原理框圖如圖1所示。

圖1 功率放大器電路原理框圖

對(duì)于功率狀態(tài)控制電路，使用兩路TTL電平分別控制PMOS管電源開關(guān)，從而分別控制末級(jí)GaN功率管的漏極電壓、其余器件的供電電壓。當(dāng)控制電壓為高電平時(shí)PMOS管打開，這樣就可以通過關(guān)閉末級(jí)功放管的漏極電壓來實(shí)現(xiàn)小功率狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉其余器件的供電電壓時(shí)為關(guān)斷狀態(tài)，而兩路TTL電平都為高時(shí)則為大功率狀態(tài)。在功率控制的同時(shí)還要注意GaN功率管需要先加?xùn)艠O負(fù)壓，后加漏極的正壓。末級(jí)功放管電源控制電路原理框圖如圖2所示。

對(duì)于帶外100 MHz處的雜散電平≤-85 dBm/10 MHz的指標(biāo)，需計(jì)算腔體濾波器在帶外100 MHz處的抑制指標(biāo)。在帶外100 MHz處無組合頻率信號(hào)輸入，白噪聲的功率為-104 dBm/10 MHz，輸入端到驅(qū)動(dòng)級(jí)的增益為40 dB，噪聲系數(shù)為5 dB，則驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出的白噪聲功率約為-59 dBm/10 MHz，此時(shí)后面接的腔體濾波器抑制為45 dB以上時(shí)，可將白噪聲的功率降低到最小的噪底功率-104 dBm/10 MHz，后面末級(jí)功放和隔離器的總增益為10 dB，噪聲系數(shù)為4 dB，則最終在100 MHz處的雜散功率為-90 dBm/10 MHz，滿足指標(biāo)要求。在具體設(shè)計(jì)時(shí)腔體濾波器在帶外100 MHz處的抑制設(shè)計(jì)為50 dB，從而留有余量[7]。

圖2 末級(jí)功放管電源控制原理框圖

2 GaN功率放大器仿真驗(yàn)證

進(jìn)行完方案設(shè)計(jì)后，要對(duì)關(guān)鍵性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，保證設(shè)計(jì)的正確性和準(zhǔn)確性。主要包括：末級(jí)功放管的匹配仿真、腔體濾波器性能仿真、熱仿真。

一般來講GaN功放管可工作帶寬很寬，如CGH40045的工作帶寬可達(dá)DC～6 GHz，需要在工作頻帶內(nèi)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，從而得到較高的功率、增益以及效率。通常使用諧波平衡仿真來得到大信號(hào)狀態(tài)下功放管的仿真結(jié)果。仿真圖如圖3所示，經(jīng)過仿真可得，末級(jí)功放的飽和功率為47.5 dBm，功率增益為10.5 dB，工作效率≥55%。

圖3 末級(jí)功放管仿真電路圖

對(duì)于腔體濾波器，除了第1節(jié)中計(jì)算得到的在帶外100 MHz處的抑制設(shè)計(jì)為50 dB外，其帶內(nèi)的插損還要足夠小，從而降低對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)功放輸出功率的要求，提高整體的效率；此外在帶內(nèi)的駐波也要足夠好，使級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)級(jí)功放和末級(jí)功放時(shí)不引起自激，并且功率起伏小。此外限制腔體濾波器設(shè)計(jì)的為尺寸，寬度約為30 mm。腔體濾波器的仿真結(jié)果如圖4所示。插損為1 dB左右，帶內(nèi)回波損耗≤-15 dB，在帶外100 MHz處的抑制≥57 dB。

圖4 腔體濾波器仿真曲線

為了盡量減小GaN功放管到屏蔽盒間的熱阻，將功放管燒結(jié)在屏蔽盒上。對(duì)整個(gè)功率放大器進(jìn)行熱仿真，如圖5所示。圖5的環(huán)境溫度設(shè)置為105 ℃，仿真得到末級(jí)功放的最高殼溫為124 ℃，而末級(jí)功放管的熱耗為45 W，熱阻為1.9 ℃/W，則其結(jié)溫為210 ℃，相比于其最高結(jié)溫225 ℃留有余量，保證了長(zhǎng)期工作的可靠性。

圖5 熱仿真結(jié)果

3 GaN功率放大器的測(cè)試結(jié)果

最終功率放大器的實(shí)物如圖6所示。對(duì)功率放大器進(jìn)行測(cè)試，輸出功率、工作效率與輸入功率的關(guān)系見表1。

圖6 功率放大器實(shí)物

可見輸出功率≥46.5 dBm；工作效率≥50%。其他指標(biāo)測(cè)試結(jié)果為：在小功率狀態(tài)輸出功率為18～23 dBm，具備開路和短路的保護(hù)功能，功率狀態(tài)控制電路功能正常；在工作帶寬外100 MHz處的雜散電平≤-87 dBm/10 MHz，均滿足指標(biāo)要求。

在該系統(tǒng)的前一代設(shè)備里使用的是GaAs功率放大器，其工作效率為30%，在使用GaN功率放大器作為末級(jí)功放后效率提高至50%，大大地降低了系統(tǒng)的功耗，提高了系統(tǒng)的效率，降低了散熱的壓力。

表1 功率放大器測(cè)試結(jié)果

[輸入功率 /dBm＼&輸出功率 /dBm＼&效率 /%＼&-4＼&46.6＼&50.2＼&-3＼&46.5＼&50.4＼&-2＼&46.7＼&50.5＼&-1＼&46.7＼&50.5＼&0＼&46.8＼&50.6＼&1＼&46.8＼&50.6＼&]

4 結(jié) 論

針對(duì)通信系統(tǒng)對(duì)低功耗越來越苛刻的要求，研制了一款基于GaN功放管的S波段功率放大器，帶寬為300 MHz，飽和輸出功率≥46 dBm，工作效率≥50%，大大提高了系統(tǒng)的效率，滿足了系統(tǒng)低功耗的要求。GaN功放管的帶寬寬，輸出功率高，可在更高的溫度下工作，并且效率高，可大大降低系統(tǒng)的功耗，在通信系統(tǒng)中有著非常好的應(yīng)用前景，將會(huì)逐步替代GaAs功率管而得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] TOMPSON R P， PRUNTY R， KAPER V， et al. Performance of the AlGaN HEMT structure with a gate extension [J]. IEEE Transactions on Electron Devices， 2001， 51（2）： 292?295.

[2] WU Y F， SAXLER A， Moore M， et al. 30W/mm GaN HEMTs by field plate optimization [J]. IEEE Electron Device Letters， 2004， 25（3）： 117?119.

[3] 王帥，陳堂勝，張斌，等.7.5～9.5 GHz AlGaN/GaN HEMT內(nèi)匹配微波功率管[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2007，27（2）：159?162.

[4] 方建洪，倪峰，馮皓.X波段50 W GaN功放管的應(yīng)用研究[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2010，30（1）：70?73.

[5] 孫春妹，鐘世昌，陳堂勝，等.Ku波段20 W AlGaN/GaN功放管內(nèi)匹配技術(shù)要求[J].電子與封裝，2010，39（1）：23?25.

[6] 鄭新.微波固態(tài)電路[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[7] 甘本祓，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，1973.

表1 功率放大器測(cè)試結(jié)果

[輸入功率 /dBm＼&輸出功率 /dBm＼&效率 /%＼&-4＼&46.6＼&50.2＼&-3＼&46.5＼&50.4＼&-2＼&46.7＼&50.5＼&-1＼&46.7＼&50.5＼&0＼&46.8＼&50.6＼&1＼&46.8＼&50.6＼&]

4 結(jié) 論

針對(duì)通信系統(tǒng)對(duì)低功耗越來越苛刻的要求，研制了一款基于GaN功放管的S波段功率放大器，帶寬為300 MHz，飽和輸出功率≥46 dBm，工作效率≥50%，大大提高了系統(tǒng)的效率，滿足了系統(tǒng)低功耗的要求。GaN功放管的帶寬寬，輸出功率高，可在更高的溫度下工作，并且效率高，可大大降低系統(tǒng)的功耗，在通信系統(tǒng)中有著非常好的應(yīng)用前景，將會(huì)逐步替代GaAs功率管而得到廣泛的應(yīng)用。

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表1 功率放大器測(cè)試結(jié)果

[輸入功率 /dBm＼&輸出功率 /dBm＼&效率 /%＼&-4＼&46.6＼&50.2＼&-3＼&46.5＼&50.4＼&-2＼&46.7＼&50.5＼&-1＼&46.7＼&50.5＼&0＼&46.8＼&50.6＼&1＼&46.8＼&50.6＼&]

4 結(jié) 論

針對(duì)通信系統(tǒng)對(duì)低功耗越來越苛刻的要求，研制了一款基于GaN功放管的S波段功率放大器，帶寬為300 MHz，飽和輸出功率≥46 dBm，工作效率≥50%，大大提高了系統(tǒng)的效率，滿足了系統(tǒng)低功耗的要求。GaN功放管的帶寬寬，輸出功率高，可在更高的溫度下工作，并且效率高，可大大降低系統(tǒng)的功耗，在通信系統(tǒng)中有著非常好的應(yīng)用前景，將會(huì)逐步替代GaAs功率管而得到廣泛的應(yīng)用。

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