高電子遷移率晶體管功率放大器的設(shè)計(jì)

文/徐浩然

在功率放大器中，功率晶體管是最重要的組成部件，其中GaN材料因其具備高擊穿場(chǎng)強(qiáng)，并且在強(qiáng)場(chǎng)下?lián)碛袠O高的電子飽和漂移速度的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于高頻、高溫和高功率領(lǐng)域。在GaN材料中，GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）器件是應(yīng)用在高頻、高壓、高溫以及大功率方面的首選。本文以GaN基高電子遷移率晶體管為材料，設(shè)計(jì)了一款寬帶平衡功率放大器。

1 GaN HEMT寬帶平衡功率放大器設(shè)計(jì)

1.1 平衡功率放大器

平衡放大器由兩個(gè)微波管和兩個(gè)三分貝電橋組成，工作頻率范圍約為倍頻程左右。主要優(yōu)點(diǎn)是駐波與輸入/輸出之比良好，噪聲系數(shù)良好，輸出功率比單管放大器高3dB，動(dòng)態(tài)范圍倍增，三階交流電的調(diào)制因子提高了6dB。

本文開(kāi)發(fā)的平衡功率放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由兩個(gè)獨(dú)立的放大器組成，這些放大器使用Lange耦合器分別分配和合成輸入和輸出功率。Lange耦合器本身具有90°的相移，平衡的結(jié)構(gòu)不需要額外的相移元件。

在平衡放大器的輸入端，由于放大器的兩個(gè)獨(dú)立輸入端反射的信號(hào)相位相差180度，并且反射信號(hào)相抵消，因此理想情況下穩(wěn)態(tài)系數(shù)等于到放大器平衡輸入端的單元。平衡放大器的輸出也是如此。從平衡放大器的輸入到輸出，入射信號(hào)交叉相等的距離，并且在輸出端合成功率。

1.2 寬帶匹配

圖1：S波段平衡功率放大器電路原理圖

為了獲得寬帶匹配，采用了多節(jié)點(diǎn)匹配。I/O一致性網(wǎng)絡(luò)使用具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的LCL +微帶一致性方法，并且輸入阻抗較低。在配對(duì)過(guò)程中，首先將LCL的中間值調(diào)整為12歐姆，然后使用兩條微帶線將其調(diào)整為50歐姆。

在具有相對(duì)介電常數(shù)為9.8且厚度為15密耳的氧化鋁陶瓷基板上制作相應(yīng)的微帶線，并且金層的厚度為3μm。直徑為25微米的金線用于電氣連接，有助于調(diào)整電路的阻抗。

1.3 耦合器

Lange耦合器易于使用3dB分離器實(shí)現(xiàn)，并且具有倍頻程帶寬或更寬。本文使用四線Lange耦合器。根據(jù)1.2節(jié)的分析，在功率放大器的輸入端使用特性阻抗為50歐姆的Lange作為功率分配器，在功率放大器的輸入端使用特性阻抗為30歐姆的Lange作為合成器。功率放大器的輸出。

在鋁陶瓷基板上實(shí)現(xiàn)了電壓為3dB，特性阻抗為50歐姆（εr= 9.8）的4線制法蘭：

其中Zoo、Zoe分別為微帶線的奇、偶模阻抗，Zo為特征阻抗，K為微帶線數(shù)。

從C=0.7079，Zo=50， 我 們 知 道R=0.279786，Zoo=5254，Zoe=176.39歐姆。

根據(jù)Zoo和Zoe的說(shuō)法，微帶線的尺寸趨勢(shì)是根據(jù)介電常數(shù)計(jì)算的，S/h=0.07，W/h=0.1。氧化鋁陶瓷基板的厚度h=381μm，微帶間距S=26.67μm，微帶寬度W=38.1μm。微帶線的長(zhǎng)度：7.73mm。

使用ADS2009Lange模型對(duì)仿真進(jìn)行了優(yōu)化，最終優(yōu)化參數(shù)為S=28μm，W=32μm，L=9mm。具有30歐姆特征電阻的優(yōu)化曲線參數(shù)：S=22μm，W=136μm，L=8.8mm。當(dāng)分離器的耦合度從3dB的理想值變?yōu)?.5dB時(shí)，平衡放大器的能量特性不會(huì)顯著變化。為了達(dá)到所需的帶寬，我們采用了一種適應(yīng)性強(qiáng)的冗余通信方案，即2.4dB的通信度。

1.4 偏置電路

在低頻下，通常使用RF電感器。在較高的微波頻帶中，分布參數(shù)的成分通常用作射頻電感，例如常用的1/4波長(zhǎng)傳輸線。一條1/4波長(zhǎng)的線使用一個(gè)并聯(lián)電容器來(lái)達(dá)到RF質(zhì)量。C1和C4為100pF，C2和C5為100μF電解電容器，C3和C6為直通電容器。低頻功率放大器的單元穩(wěn)定性系數(shù)K<1。功率放大器容易在低頻下振蕩并抑制振動(dòng)。最好的方法是進(jìn)入并獲得穩(wěn)定的阻力。由于線路阻抗的四分之一波長(zhǎng)帶寬特性，穩(wěn)定的電阻在低頻范圍內(nèi)有效。接地與輸入放大器的晶體集成在一起，以消除負(fù)輸入電阻，以確保功率放大器的穩(wěn)定運(yùn)行和穩(wěn)定的工作頻率范圍。

1.5 電路熱設(shè)計(jì)仿真

放大器芯和陶瓷基板（匹配電路）在380℃的刀片上涂有AuSn焊料。基材由AlSiC合金制成，表面鍍有金以提高導(dǎo)電性。通過(guò)調(diào)整的比例，如果和C調(diào)節(jié)襯底的熱膨脹系數(shù)，它是接近核心基板的熱膨脹系數(shù)，損壞的概率，從而降低電路由于膨脹系數(shù)的差異時(shí)，核心是燒結(jié)和放大器是有效的。

2 電路測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 10W功率放大器測(cè)試

偏置條件：當(dāng)輸入信號(hào)為3.1GHz的脈沖調(diào)制信號(hào)（脈沖寬度300μs，占空比10%），線性增益時(shí)，VDS=28V，IDS=110mA放大器的功率超過(guò)12dB，輸出端的峰值飽和功率為39.4dBm（8.7W）。PAE為48%。

在1.5至3.5GHz范圍內(nèi)，該放大器的飽和輸出功率為39至41dBm（8至12W），漏極效率為56至65%。

GaN HEMT的擊穿電壓很高。如果正確設(shè)置電源電壓并增加泄漏電壓，則可以增加管道的輸出功率。如果漏極偏置電壓增加2V，則放大器的飽和輸出將增加約0.5dB。測(cè)試結(jié)果與最近發(fā)布的寬帶高性能功率放大器的功能進(jìn)行了比較。比較結(jié)果表明，該放大器具有一些優(yōu)良的特性，并測(cè)試了該設(shè)計(jì)方法的可行性。

2.2 30W功率放大器測(cè)試

偏置條件：VDS=28V，IDS=250mA。當(dāng)輸入信號(hào)在1.5至3.5Hz范圍內(nèi)為38dBm時(shí)，功率放大器將輸出功率飽和在43，6-46dBm，增益平坦度小于3dB。廢水的效率在30%至65%之間。相應(yīng)的PAE在25%到58%之間，相對(duì)于2.3GHz中心頻率的相對(duì)帶寬為110%。在低頻范圍（<2.0GHz）中，放大器的輸出功率和效率會(huì)大大降低。這是因?yàn)橛?jì)算出的負(fù)載阻抗匹配頻率為3GHz，而在低頻下，負(fù)載的阻抗會(huì)偏離最佳阻抗。

1GHz，1.5GHz，2GHz，2.5GHz，3GHz，3.5GHz時(shí)放大器的增益和PAE隨輸入功率而變化，而1GHz和25GHz是最小增益和最大PAE。當(dāng)VDS=35V時(shí)，輸出功率達(dá)到46.8dBm，動(dòng)態(tài)系數(shù)為8.6dB，放大器的漏極效率超過(guò)60%，這表明可以更好地控制放大器的功率。通過(guò)調(diào)節(jié)放大器的漏極電壓來(lái)輸出放大器的輸出功率，而導(dǎo)致漏極效率明顯降低。另外，隨著漏極電壓顯著降低，AM和PAE的非線性度降低，從而限制了放大器的動(dòng)態(tài)調(diào)制范圍。

測(cè)試結(jié)果與最新發(fā)布的寬帶高效功率放大器性能進(jìn)行了比較，比較結(jié)果表明，該放大器的性能達(dá)到了相同的水平，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款寬帶平衡功率放大器，由于較好的功率密度和較高的擊穿電壓，GaN基HEMT被選為電路的功率管。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)仿真結(jié)果有較好一致性，功放性能與近期發(fā)表的寬帶、高效率功放對(duì)比，具有一定的優(yōu)越性，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性。