基于GaN HEMT的S波段小型化內(nèi)匹配功率管設(shè)計

王曉龍?張磊

摘? 要：采用總柵寬36 mm的0.5 um工藝GaN HEMT功率管芯，通過合理選擇目標(biāo)阻抗、優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一款包含扼流電路的S波段小型化內(nèi)匹配功率管。在+48 V、-3.1 V工作電壓下，2.7～3.4 GHz內(nèi)，功率管輸出功率≥250 W，功率增益≥12 dB，功率附加效率≥60%，尺寸僅為15 mm×6.6 mm×1.5 mm，重量僅為0.6 g，顯示出卓越的性能，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：功率管;GaN;內(nèi)匹配;S波段;小型化

中圖分類號：TN12? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0052-04

Abstract： Using a 0.5 um process GaN HEMT power tube core with a total gate width of 36 mm， an S-band miniaturized internal matched power tube including choke circuit is designed by reasonably selecting the target impedance and optimizing the matching network. Under the working voltage of+48 V，-3.1 V and within 2.7～3.4 GHz， the output power of power tube is greater than or equal to 250 W， the power gain is greater than or equal to 12 dB， the power added efficiency is greater than or equal to 60%，and the size is only 15 mm×6.6 mm×1.5 mm， weight is only 0.6 g， shows excellent performance and has broad engineering application prospects

Keywords： power tube; GaN; internal matched; S-band; miniaturized

0? 引? 言

近年來，隨著相控陣?yán)走_(dá)快速發(fā)展、列裝以及民用5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，對微波功率器件的小型化、高效率提出了更高的要求。寬禁帶半導(dǎo)體GaN微波功率器件高耐壓、高功率密度、高效率的特性[1-4]，決定了GaN微波功率器件在相控陣?yán)走_(dá)、無線通信等軍用和民用微波功率領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[5-7]。

內(nèi)匹配功率管是指內(nèi)部包含所有匹配電路，可直接同50 Ω系統(tǒng)級聯(lián)的功率管。相較于只在功率管內(nèi)部做了部分匹配，外部需外加PCB匹配電路的預(yù)匹配功率管，內(nèi)匹配功率管在尺寸和重量上有很大優(yōu)勢。本文設(shè)計的內(nèi)匹配功率管不僅包含輸入、輸出匹配電路，并且包含輸入、輸出扼流電路。在2.7～3.4 GHz內(nèi)，其帶內(nèi)輸出功率≥250 W，功率增益≥12 db，功率附加效率≥60%，而體積僅為15 mm× 6.6 mm×1.5 mm，重量僅為0.6 g，顯示出很好的性能，工程應(yīng)用前景廣泛。

1? 管芯選擇

本文選用0.5 um HEMT工藝GaN功率管芯（由中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所研制），圖1為0.5 um HEMT工藝GaN功率管芯縱向結(jié)構(gòu)示意圖。GaN HEMT器件利用AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)形成的二維電子氣（2DEG），將電子遷移率提升至2 000 cm2/V·s以上，具有優(yōu)異的射頻性能。本文選用的功率管芯采用SiC襯底。SiC襯底熱導(dǎo)率高，同GaN的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配較少，是目前使用最多的方案。

本文選用6.23 mm×0.97 mm的GaN功率管芯，其單指柵寬為450 um，每胞10指，共8胞，總柵寬36 mm。在48 V漏源電壓、S波段條件下，其功率密度為8 W/mm，可以滿足輸出功率大于250 W的要求。圖2是36 mm GaN功率管芯的版圖。

2? 功率管設(shè)計

2.1? 目標(biāo)阻抗選取

選定合適的目標(biāo)阻抗是功率管設(shè)計中的關(guān)鍵一步，直接決定了功率管的最終性能。使用諧波平衡仿真器，利用器件的大信號模型，對器件進(jìn)行源牽引和負(fù)載牽引仿真。如表1所示，器件最大功率阻抗和最佳效率阻抗隨頻率變化并不大，故以中心頻率3.05 GHz為典型頻率進(jìn)行阻抗點(diǎn)選取。實(shí)際仿真時，設(shè)置器件柵壓-3.1 V，漏壓+48 V，輸入功率42 dBm，工作頻率3.05 GHz。源牽引結(jié)果如圖3，可以看到，最大功率阻抗和最佳效率阻抗基本重合，其最大功率阻抗為0.4+j0.7 Ω，最佳效率阻抗為0.98+j0.2 Ω。負(fù)載牽引結(jié)果如圖4，可以看到，最大輸出功率為55.7 dBm，其對應(yīng)阻抗為2.37+j1.28 Ω;最高功率附加效率為75.0%，其對應(yīng)阻抗為1.72+j3.22 Ω。選取1.0+j0.68 Ω為目標(biāo)源阻抗，折中選擇2.25+j2.3 Ω為目標(biāo)負(fù)載阻抗，開展后續(xù)設(shè)計，對應(yīng)增益13.1 db、輸出功率55.1 dBm、功率附加效率68.2%。

2.2? 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

功率管設(shè)計的主要工作是設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)將50 Ω匹配到目標(biāo)阻抗。雖然本文采用單管芯方案，但單只GaN功率管芯的長度達(dá)到6.23 mm，按照最常用的氧化鋁陶瓷基片9.9的介電常數(shù)計算，6.23 mm，3.4 GHz對應(yīng)電長度為69.5，功率管設(shè)計過程中仍需考慮功率合成的問題。除了尺寸問題，引入兼具阻抗變化功能的功分匹配網(wǎng)絡(luò)還能拓展匹配電路帶寬，故本文的匹配電路包含兩部分：一是在陶瓷基板上實(shí)現(xiàn)的功分匹配網(wǎng)絡(luò)，其兼具阻抗變換功能;二是功率管芯和厘米器之間，由鍵合金絲和單層電容組成的T型匹配網(wǎng)絡(luò)。圖5是本文所采用的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

功率管芯可以視為多個管芯單胞的并聯(lián)，功率管輸出功率越大，需要的功率管芯胞數(shù)越多，其對應(yīng)最佳阻抗越低，匹配電路阻抗變換比越大，設(shè)計難度越高。為了實(shí)現(xiàn)小型化，本文功分匹配網(wǎng)絡(luò)采用了先功率合成，再阻抗變換的結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)功分匹配網(wǎng)絡(luò)[9]，將1/4波長阻抗變換線根數(shù)由兩根精簡為一根，雖然阻抗變換線寬度會相應(yīng)變寬，但一根阻抗變換線布局更靈活，圖6是兩種功分匹配網(wǎng)絡(luò)的對比圖。

經(jīng)過平面功分器之后，源阻抗被變換到9.7-j16.8 Ω，負(fù)載阻抗被變換到7.4+j0.5 Ω，T型匹配網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)將阻抗匹配到目標(biāo)阻抗。T型網(wǎng)絡(luò)中的電感由鍵合金絲實(shí)現(xiàn)，具有Q值高和方便調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。

2.3? 扼流電路設(shè)計

功率管功分匹配網(wǎng)絡(luò)中只有一根1/4波長阻抗變化線，布局靈活，使功率管中有足夠空間包含輸入輸出扼流電路。為了減小扼流線對匹配的影響，扼流線寬度盡量窄，以提高額流線的特性阻抗。輸出功率大于100 W的S波段內(nèi)匹配功率管一般采用管殼封裝[10，11]，尺寸21.4 mm×17.5 mm× 5 mm，并且需要外接扼流電路。內(nèi)部集成扼流電路，使本文所設(shè)計功率管的小型化優(yōu)勢在實(shí)際使用時更加明顯。

3? 研制結(jié)果

3.1? 功率管制備

功率管平面功分器采用厚度為0.254 mm的氧化鋁陶瓷實(shí)現(xiàn)。為了保證散熱，GaN功率芯片以及輸出側(cè)隔直電容、扼流電容均使用金錫焊料共晶焊接在0.5 mm厚鉬銅載片上，其他元器件使用導(dǎo)電膠粘接。如圖7為產(chǎn)品照片，產(chǎn)品尺寸15 mm×6.6 mm×1.5 mm，重量0.6 g。

3.2? 微波性能

在工作電壓48 V、-3.1 V，輸入功率42 dBm，0.5 ms/ 10 ms占空比，常溫工作條件下，對功率管進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8?？梢钥吹剑β使茉?.7～3.4 GHz范圍內(nèi)輸出功率≥54.2 dBm，增益波動小于±0.34 dB，頻帶內(nèi)功率附加效率≥60%。

表2為本文所設(shè)計功率管同國內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品的指標(biāo)對比，可以看到，與現(xiàn)有輸出功率大于100 W的功率管相比，本文所設(shè)計功率管尺寸明顯更小;與同類型、同尺寸功率管相比，本文所設(shè)計功率管輸出功率更大，且?guī)捀鼘挕?/p>

3.3? 可靠性

為評估功率管可靠性，將功率管焊接在鋁盒體內(nèi)對其進(jìn)行高低溫測試和高溫老練，圖9為高低溫測試盒照片。相較于常溫，85℃下，功率管輸出功率下降0.4～0.5 dB;-55℃下，功率管輸出功率上漲0.3～0.4 dB，且無自激現(xiàn)象。高低溫試驗(yàn)后復(fù)測常溫，功率管指標(biāo)未見明顯變化。85℃下，對功率管進(jìn)行96小時射頻老練，恢復(fù)常溫后復(fù)測，功率管指標(biāo)未見明顯變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，功率管可靠性滿足一般工程使用需求。

4? 結(jié)? 論

采用中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所研制的GaN HEMT，本文研制了一款48 V工作，在2.7～3.4 GHz輸出功率大于250 W，自帶輸入、輸出扼流電流的內(nèi)匹配功率管，并驗(yàn)證了其可靠性。本文研制的功率管尺寸僅為15 mm×6.6 mm×1.5 mm，重量僅為0.6 g，性能卓越，具有非常廣闊的工程應(yīng)用前景。

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作者簡介：王曉龍（1988—），男，漢族，河北大名人，工程師，碩士，研究方向：功率放大器。