Ku 波段200 W GaN 功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇 鵬，顧黎明，唐世軍，周書同

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

作為雷達(dá)和通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件，功率放大器的能耗占到了系統(tǒng)能耗的很大一部分，所以提高單個功率放大器的效率和功率可以極大地降低系統(tǒng)的能耗，同時還能減小整機(jī)系統(tǒng)的尺寸和重量，這對于雷達(dá)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說至關(guān)重要。作為采用第三代寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料制作的功率器件，GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）具有功率密度大、擊穿電壓高、附加效率高、散熱能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在功率器件應(yīng)用領(lǐng)域相較于第一代半導(dǎo)體Si 和第二代半導(dǎo)體GaAs具有明顯的性能優(yōu)勢。同時GaN HEMT 器件能夠在更高的結(jié)溫條件下工作，這就使得GaN 器件能夠承受更大的熱耗，也就具有更大的輸出功率，能夠很好地滿足系統(tǒng)對高功率、高效率、小尺寸的性能指標(biāo)要求[1]。

近幾年，國內(nèi)外也有相關(guān)的文章報道了GaN HEMT 器件在Ku 波段的應(yīng)用，其輸出功率主要集中在100 W 以內(nèi)[2-5]。輸出功率超過100 W 的大功率放大器少有報道，主要是因?yàn)镵u 波段的功率放大器一般都采用MMIC 的形式設(shè)計(jì)制作，受芯片尺寸和散熱能力的限制，其輸出功率一般都在50 W 以內(nèi)，采用混合集成電路設(shè)計(jì)制作的Ku 波段放大器輸出功率也在100 W 以內(nèi)。傳統(tǒng)的功率管由于法蘭的存在會增加放大器的尺寸，針對Ku 波段雷達(dá)對功率放大器小尺寸、大功率、高效率的需求，本文研制了一款基于0.25 μm GaN 工藝、采用內(nèi)匹配電路形式設(shè)計(jì)制作的200 W 功放載片。功率放大器采用銅-鉬銅-銅載板作為載體，將GaN HEMT 管芯和以Al2O3陶瓷基板制作的匹配電路以及匹配電容集成在一塊載體上，實(shí)現(xiàn)了大功率和小尺寸的統(tǒng)一。研制完成的功率放大器整體尺寸為18 mm×11.8 mm×1.5 mm，在漏極電壓為36 V、脈沖周期為1 ms、占空比為10%的測試條件下，實(shí)現(xiàn)了14.5～15.0 GHz 頻帶內(nèi)200 W 以上的輸出功率，7 dB以上的功率增益，38%～43%的附加效率。該功率放大器可用于替換各種發(fā)射組件里面的電真空器件，提高組件可靠性，同時由于其尺寸小、功率大的特點(diǎn)，可以減小組件尺寸。

2 GaN 管芯工藝與結(jié)構(gòu)

本文選用的9.6 mm GaN HEMT 管芯由南京電子器件研究所設(shè)計(jì)制作，GaN HEMT 管芯橫截面如圖1所示，其包括SiC 襯底，它具有支撐、散熱和電磁屏蔽的作用，未摻雜的GaN 緩沖層，AlN 插入層以及AlGaN 勢壘層，AlN 插入層能夠提高器件的電子遷移率和頻率特性，同時還能夠減小器件的晶格失配[6]。

圖1 GaN 晶體管橫截面

該管芯實(shí)測擊穿電壓大于180 V，最大跨導(dǎo)為360 mS/mm。在15 GHz、36 V 條件下，管芯功率密度大于6.5 W/mm，考慮匹配及合成網(wǎng)絡(luò)的損耗，為實(shí)現(xiàn)200 W 以上的功率輸出，功率放大器采用4 個9.6 mm 管芯進(jìn)行合成。

采用以上工藝設(shè)計(jì)制作的GaN HEMT 管芯結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該管芯柵極分為8 個胞，每個胞之間連接有電阻，可以提高管芯的穩(wěn)定性，防止自激震蕩。當(dāng)器件工作在較高頻率時，管芯的寄生參數(shù)會對器件產(chǎn)生比較大的影響，常規(guī)的管芯源級接地是通過空氣橋?qū)⒃醇壱龅捷斎攵嗽偻ㄟ^接地孔到地，該結(jié)構(gòu)使得管芯源級到地電感增大，會嚴(yán)重影響其頻率特性，降低其增益和效率等指標(biāo)，同時柵極還會引入一個電感，增大輸入匹配難度。通過將接地通孔直接制作在源條上可減小寄生參數(shù)，在提高管芯頻率特性的同時還能減小柵極串聯(lián)的電感，使得管芯輸入更易匹配。

圖2 9.6 mm GaN HEMT 管芯結(jié)構(gòu)

采用HFSS 仿真軟件對2 種結(jié)構(gòu)的接地孔進(jìn)行建模仿真，仿真模型如圖3 所示。

圖3 接地孔仿真模型

通過仿真得出2 種結(jié)構(gòu)的Y 參數(shù)，利用式（1）計(jì)算出接地孔的電感值L：

其中，Im[Y(1,1)]為Y 參數(shù)的虛部。

模型仿真得出的Y 參數(shù)如圖4 所示，通過式（1）可計(jì)算出2 種結(jié)構(gòu)的電感值分別為67.8 pH 和19 pH?？梢钥闯觯瑢⒔拥乜字苯又谱髟谠礂l上的電感值只有將接地孔通過空氣橋連接到管芯輸入端電感值的28%左右。

圖4 接地孔電感仿真結(jié)果

將通孔直接制作在源條上，由于通孔里面填充的是空氣，其熱導(dǎo)率相對于SiC 襯底要低很多，因此會降低器件的散熱能力。以單個管芯為例，輸入功率為10 W 時，輸出功率在65 W 左右，功率附加效率（PAE）在45%左右，因此，最大熱耗大概在70 W。采用紅外熱成像儀測試管芯結(jié)溫，在脈寬為100 μs、周期為1 ms的條件下，瞬態(tài)功耗為70 W 時管芯瞬態(tài)結(jié)溫為150 ℃，能夠滿足GaN 管芯結(jié)溫低于225 ℃的要求。管芯瞬態(tài)結(jié)溫如圖5 所示。

圖5 管芯瞬態(tài)結(jié)溫

3 電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 管芯模型建立

為了實(shí)現(xiàn)功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，提高一次設(shè)計(jì)成功率，就需要得到管芯精準(zhǔn)的等效模型。功率放大器管芯的模型分為小信號模型和大信號模型，放大器的輸入端采用小信號模型來設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)。簡化的管芯小信號模型[7]主要參數(shù)由在片測試系統(tǒng)測量得到，一般通過對模型管管芯進(jìn)行在片直流、微波參數(shù)測試，再將測試數(shù)據(jù)輸入到模型軟件中完成小信號模型的提取，在使用ADS 仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)時即可調(diào)用小信號模型來設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)[8]。

管芯輸出阻抗一般采用負(fù)載牽引測試系統(tǒng)對4 胞模型管（4×120 μm）管芯進(jìn)行負(fù)載牽引測試，根據(jù)負(fù)載牽引測試結(jié)果得到管芯在最佳功率匹配點(diǎn)（Pout-Max）和最佳效率匹配點(diǎn)（ηPAE-Max）的負(fù)載阻抗值Z 以及對應(yīng)的輸出功率Pout和功率附加效率ηPAE，結(jié)果見表1。

表1 15 GHz 下最佳功率點(diǎn)和最佳效率點(diǎn)的性能

480 μm 管芯最佳功率匹配點(diǎn)的負(fù)載阻抗為19.9+j31.8，根據(jù)共軛匹配原理，管芯最佳功率匹配點(diǎn)的輸出阻抗為19.9-j31.8，可等效為一個70.7 Ω 的電阻和一個0.24 pF 的電容并聯(lián)；同理，可得到管芯最佳效率匹配點(diǎn)輸出阻抗可等效為一個89.0 Ω 的電阻和一個0.22 pF 的電容并聯(lián)。按比例推算出9.6 mm 管芯的阻抗，最佳功率匹配點(diǎn)的輸出阻抗可等效為一個3.5 Ω 的電阻和一個4.8 pF 的電容并聯(lián)，最佳效率匹配點(diǎn)的輸出阻抗可等效為一個4.45 Ω 的電阻和一個4.4 pF 的電容并聯(lián)。在實(shí)際設(shè)計(jì)時對最佳功率匹配點(diǎn)和最佳效率匹配點(diǎn)進(jìn)行折中處理，最終得到9.6 mm管芯的輸出阻抗可等效為一個4.0 Ω 的電阻和一個4.6 pF 的電容并聯(lián)。

3.2 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

匹配電路的目的在于對4 胞管芯進(jìn)行功率分配和合成，同時實(shí)現(xiàn)一定的阻抗變換，將輸入、輸出阻抗匹配到50 Ω。功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示。從圖6 可以看出，整個匹配網(wǎng)絡(luò)先采用1 級L-C-L阻抗變換對管芯阻抗做適當(dāng)提升，同時抵消其虛部，以便于功率合成，一般通過這一步先將管芯阻抗提升至10～15 Ω，然后通過功分器實(shí)現(xiàn)功率合成和阻抗變換，最終使得輸入、輸出阻抗為50 Ω[9]。

圖6 功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

輸入、輸出匹配電路選用氧化鋁陶瓷基板設(shè)計(jì)制作，其介電常數(shù)為9.9，厚度為380 μm；輸入、輸出電容采用介電常數(shù)為38、厚度為180 μm 的陶瓷基板設(shè)計(jì)制作，鍍金厚度為5 μm。電感采用金絲鍵合線，電感量L 可由式（2）近似計(jì)算：

其中，D 為金絲直徑，n 為金絲根數(shù)，l 為金絲長度，s 為金絲間距。

陶瓷電路、電容和管芯通過290 ℃金錫焊料燒結(jié)在銅-鉬銅-銅載體上，圖7 為功率放大器實(shí)物照片，裝配完成后一般還需根據(jù)測試結(jié)果對金絲長度和匹配電容值進(jìn)行微調(diào)，以使器件性能達(dá)到最佳[10]。

圖7 功率放大器實(shí)物

4 測試結(jié)果

對設(shè)計(jì)、制作完成的功率放大器進(jìn)行測試，測試條件為：漏極電壓36 V，脈寬100 μs，周期1 ms，輸入功率46 dBm，測試結(jié)果如圖8 所示，在14.5～15 GHz頻帶內(nèi)，輸出功率均達(dá)到200 W 以上，最高輸出功率達(dá)到230 W，帶內(nèi)功率增益在7 dB 以上，功率附加效率在38%以上，最高附加效率達(dá)到43%。

圖8 功率放大器的性能測試結(jié)果

對功率放大器進(jìn)行熱分析，測量放大器在脈寬為100 μs、周期為1 ms、輸入功率為46 dBm 時的瞬態(tài)結(jié)溫，具體測試結(jié)果見圖9。從圖9 可以看出，功率放大器正常工作時瞬態(tài)結(jié)溫為158 ℃，溫度低于GaN 的最高結(jié)溫225 ℃，能夠很好地滿足器件對結(jié)溫的要求。

圖9 功率放大器瞬態(tài)結(jié)溫

本研究設(shè)計(jì)的功率放大器與國內(nèi)外工作頻率接近的產(chǎn)品的性能指標(biāo)對比結(jié)果如表2 所示，VDS為產(chǎn)品的漏極電壓?？梢钥闯觯漭敵龉β屎透郊有氏鄬τ谕惍a(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢。

表2 相近頻率同類產(chǎn)品性能比較

5 結(jié)論

本文基于南京電子器件研究所的0.25 μm GaN HEMT 工藝平臺，設(shè)計(jì)、制作了4 管芯合成的工作在Ku 波段的高功率、高效率功率放大器，在14.5～15.0 GHz頻率范圍內(nèi)，放大器輸出功率大于200 W，最大輸出功率達(dá)230 W，功率增益大于7 dB，功率附加效率達(dá)到38%，最大功率附加效率為43%，尺寸為18 mm×11.8 mm×1.5 mm。