S波段GaN內(nèi)匹配功放管

王樂樂，鐘世昌，謝凌霄，鞠久貴

（南京電子器件研究所，南京210016）

S波段GaN內(nèi)匹配功放管

王樂樂，鐘世昌，謝凌霄，鞠久貴

（南京電子器件研究所，南京210016）

實現(xiàn)了一款應(yīng)用于S波段雷達(dá)系統(tǒng)的GaN HEMT內(nèi)匹配功放。以小信號S參數(shù)和Load-pull結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行內(nèi)匹配電路設(shè)計和仿真，采用單個24 mm GaN HEMT管芯實現(xiàn)大功率輸出。使用微波仿真軟件ADS進(jìn)行輸出匹配和小信號仿真和優(yōu)化，得到良好的仿真結(jié)果并給出最終的測試數(shù)據(jù)。在34 V漏電壓、1 ms周期、10%占空比的測試條件下，40 dBm輸入功率時，2.7～3.1 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率超過170 W，功率附加效率超過55%。

氮化鎵高電子遷移率晶體管；內(nèi)匹配；功率放大器；S波段

1 引言

氮化鎵（GaN）作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的一員，相較于第一代半導(dǎo)體Si和第二代半導(dǎo)體GaAs有許多突出的優(yōu)勢，尤其是在功率放大器的應(yīng)用方面[1～2]。半導(dǎo)體廠商們相繼推出S波段的GaN HEMT功放產(chǎn)品，如Wolfspeed公司（原Cree公司的Wolfspeed Power&RF部門）推出的S波段百瓦級功放管，其輸出功率為150 W，效率為50%；Sumitomo公司也推出了工作電壓50 V的S波段功放管，效率在55%以上。

很多半導(dǎo)體廠家并不提供設(shè)計功放所需要的功率管芯的大信號模型。MA/COM等軍用放大器生產(chǎn)廠商通常是拿不到管芯模型的，依據(jù)小信號S參數(shù)以及廠商提供的點頻阻抗進(jìn)行設(shè)計的模式目前依然有一定的應(yīng)用空間。

本文基于GaN HEMT管芯，依據(jù)小信號S參數(shù)和Load-pull系統(tǒng)進(jìn)行功率放大器的設(shè)計。使用單個24 mm柵寬GaN HEMT管芯，在漏極電壓為34 V的條件下，實現(xiàn)2.7～3.1 GHz頻帶內(nèi)飽和輸出功率170 W以上，附加效率55%。

2 GaN HEMT管芯

GaN HEMT的材料為GaN和AlGaN，通過在GaN晶體上面生長一層AlGaN的薄層，在GaN和AlGaN的分界面處將會產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變引起補償二維電子氣（2DEG）。當(dāng)在其兩端施加電場時，該2DEG能夠很有效地傳導(dǎo)電子。由于零柵壓下2DEG就已存在，且施加漏極工作電壓后電流較大，因此GaN射頻功率放大器芯片柵極工作電壓為負(fù)壓，且它的功率增益從小信號開始就有壓縮。本文所用GaN HEMT管芯如圖1所示，其I-V特性如圖2所示。

圖1 GaN HEMT管芯圖

圖2 管芯I-V特性曲線

由于測試設(shè)備自身的限制，柵寬越大，直接測得GaN HEMT管芯的參數(shù)也就越困難。通常是先測量小柵寬GaN HEMT管芯的參數(shù)，再通過疊加推得大柵寬GaN HEMT管芯的參數(shù)[5]。由于GaN HEMT管芯的參數(shù)并不是與柵寬呈嚴(yán)格的線性關(guān)系，因此通過疊加得到的大柵寬GaN HEMT管芯的參數(shù)會存在一定的誤差，使仿真結(jié)果與實際情況出現(xiàn)一定的偏離。內(nèi)匹配電路中通常會設(shè)置一些調(diào)配塊來調(diào)節(jié)匹配電路，減少乃至消除設(shè)計仿真和制作生產(chǎn)階段引入的誤差和一些不穩(wěn)定的因素。

管芯的輸入輸出阻抗通過負(fù)載牽引測試獲得。在本文的頻率范圍內(nèi)，輸出阻抗近似等效為一個電阻和一個電容并聯(lián)，如圖3所示，每毫米柵寬的阻值約100 Ω，容值約0.5 pF。

圖3 簡化的GaN HEMT輸出阻抗電路模型

3 內(nèi)匹配電路的設(shè)計

大柵寬管芯使功率器件輸入、輸出端口的阻抗變得很低，因此在設(shè)計和使用時，輸入、輸出引線微小的變化就會對電路產(chǎn)生很大的影響，管殼以及其他寄生參數(shù)對電路性能的影響也變大，這樣一來直接采用管殼外的匹配方法（外匹配）無法得到較大的功率輸出，甚至有時電路還無法正常工作。解決的方法是在封裝管殼內(nèi)部引入匹配電路。內(nèi)匹配技術(shù)是實現(xiàn)大功率器件的核心技術(shù)之一。內(nèi)匹配技術(shù)的本質(zhì)就是阻抗匹配，即負(fù)載阻抗與激勵源阻抗相互適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵源電阻時，則輸出功率最大，這種狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。當(dāng)激勵源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成分時，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與信號源內(nèi)阻抗必須滿足共軛關(guān)系，即電阻成分相等、電抗成分絕對值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共軛匹配[3]。

射頻和微波頻段需要考慮管芯的寄生電容等，因此管芯的輸入輸出阻抗中包含電抗成分。管殼的輸入輸出是標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω管腳，兩者阻抗不滿足共軛匹配條件，需要在管芯和管腳之間加一個阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)阻抗匹配。本文中內(nèi)匹配是設(shè)計管芯與管腳之間的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。

圖4 內(nèi)匹配功放原理拓?fù)涫疽鈭D

圖4是采用單個24 mm柵寬GaN HEMT管芯的內(nèi)匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖[4]。匹配電路采用兩路并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，以減小匹配電路的設(shè)計難度。輸入端采用功分器將輸入功率平分到并聯(lián)的兩路L-C中，輸出端采用耦合器將功率合并后輸出。本文中功分器和耦合器同時也是輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的一部分，具有阻抗匹配的作用。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)中的RC串聯(lián)結(jié)構(gòu)，起到提高功率放大器穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)增益的功能。

首先用管芯的等效輸出阻抗進(jìn)行輸出匹配。輸出匹配電路的電磁仿真結(jié)果如圖5所示。其正向傳輸參數(shù)|S(2,1)|控制在0.1以內(nèi)，并且在帶內(nèi)使|S(2,1)|盡可能小。

圖5 輸出匹配電路電磁仿真結(jié)果

輸出匹配電路確定后，再結(jié)合小信號S參數(shù)進(jìn)行輸入匹配。對整個電路進(jìn)行Momentum仿真，圖6為輸入反射系數(shù)與小信號增益電磁仿真結(jié)果。

圖6 輸入反射系數(shù)與小信號增益電磁仿真結(jié)果

圖7 內(nèi)匹配功率管照片

輸入輸出電路、管芯、旁路電容用金錫焊料燒結(jié)在特制的管殼內(nèi)，圖7是裝配完畢后放大器的實物照。功分器、合成器和感性匹配微帶制作在介電常數(shù)為9.6、厚度為380 μm的陶瓷片上。容性匹配微帶制作在介電常數(shù)85、厚度180 μm的陶瓷片上。為匹配微帶，管芯等用290℃金錫焊料燒結(jié)在高導(dǎo)熱功率管殼中以降低熱阻，并用金絲鍵合。

4 測試結(jié)果與分析

對功率放大器進(jìn)行一定的調(diào)試，使其達(dá)到所需的性能。調(diào)試輸入匹配主要影響功率放大器的小信號增益和帶寬，調(diào)試輸出匹配主要影響功率放大器的輸出功率。測試所用的測試架版圖和實物圖如圖8所示。測試架所用介質(zhì)材料是Rogers5870，厚度為0.508 mm。

對功率管進(jìn)行測試，測試條件為柵電壓-2.3 V、漏電壓34 V、周期1 ms、占空比10%。輸入功率恒定為40 dBm時，其輸出功率與附加效率測試結(jié)果如圖9所示。在2.70～3.10 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率在170 W以上，2.85 GHz和2.90 GHz達(dá)到最大值187 W，帶內(nèi)平坦度小于0.4 dBm。各頻點附加效率均在55%以上。

圖8 測試架版圖和實物圖

圖9 輸出功率Pout與附加效率PAE測試結(jié)果

圖10為2.9 GHz頻點下輸出功率和附加效率隨輸入功率變化的情況。從圖中可以看出，隨著輸入功率的增加，輸出功率與附加效率逐漸增大，功率開關(guān)的增益逐漸壓縮。在輸入功率較小時，輸出功率有輕微壓縮，在輸入功率大于36 dBm時，壓縮越來越明顯。輸入功率達(dá)到40 dBm時，輸出功率達(dá)到飽和，若再增加輸入功率，輸出功率則會出現(xiàn)一定程度的反壓縮。

圖10 2.9 GHz頻點輸出功率Pout與附加效率PAE隨輸入功率Pin變化圖

5 結(jié)論

本文基于大柵寬GaN HEMT管芯實現(xiàn)了34 V條件下的S波段內(nèi)匹配功率放大器的設(shè)計，在頻帶范圍內(nèi)輸出功率大于170 W，功率附加效率超過55%，體現(xiàn)了GaN HEMT在S波段大功率應(yīng)用上的優(yōu)勢。

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Design and Implementation of an S-Band 150 W GaN with Internally Matched Power Amplifier

WANG Lele,ZHONG Shichang,XIE Lingxiao,JU Jiugui
（Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China）

The paper describes a GaN HEMT with internally matched power amplifier for S-band radar applications.The design and simulation of internally matched network is based on small-signal S-parameters and Load-pull result.By using a 24 mm GaN HEMT,the internally matched power amplifier demonstrates a high output power performance.Simulation and optimization of output matching network and small-signal are performed with microwave simulation software ADS.Simulation results are obtained and the test data are then presented.During its working band of 2.7 GHz to 3.1 GHz,the output power is exceeds 170 W with PAE 55% under conditions of34 V drain voltage,1 ms period,10%duty ratio and 40 dBm inputpower.

GaN HEMT;internalmatching;power amplifier;S-band

TN323+.4

A

1681-1070（2017）05-0033-04

王樂樂（1990—），男，安徽阜陽人，2012年畢業(yè)于電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，獲集成電路設(shè)計及集成系統(tǒng)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為南京電子器件研究所在讀研究生，研究方向為射頻電路。

2017-1-10