基于負(fù)載牽引的S波段130 W硅LDMOS功率放大器研制

鞠久貴，成愛(ài)強(qiáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京 210016）

1 引言

近年來(lái)，隨著GaN HEMT技術(shù)的進(jìn)步，大功率、高效率GaN功率放大器被研發(fā)出來(lái)，正逐步替代LDMOS器件。但是GaN器件在成熟度和性價(jià)比方面與LDMOS器件相比還有一定差距，LDMOS器件因其在低頻段具有高增益、大輸出功率、高性價(jià)比和高可靠性等特點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用在導(dǎo)彈、雷達(dá)、通信等領(lǐng)域[1-3]。

國(guó)外對(duì)LDMOS器件的研究較早，很多公司如Freescale、NXP、Infineon等均擁有成熟的LDMOS生產(chǎn)線，且產(chǎn)品體系完善，比如在S波段已具有426 W大功率輸出功率管。國(guó)內(nèi)關(guān)于LDMOS的研究雖起步較晚，但也取得了很大的發(fā)展，在P、L波段也已形成系列化的產(chǎn)品，包括P波段450 W LDMOS器件[4]、1.2～1.4 GHz 600 W LDMOS器件[5]等。受限于國(guó)內(nèi)LDMOS芯片工藝平臺(tái)水平，S波段產(chǎn)品研制的報(bào)道并不多。本文基于南京電子器件研究所152.4 mm（6英寸）LDMOS技術(shù)平臺(tái)研制的高頻、高增益管芯，采用雙胞LDMOS管芯設(shè)計(jì)了一款2.7～3.1 GHz 130 W大功率高效功率放大器；對(duì)管芯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用負(fù)載牽引系統(tǒng)進(jìn)行管芯參數(shù)提取，設(shè)計(jì)了預(yù)匹配及外匹配電路，從而完成高頻LDMOS功率器件的研制。

2 LDMOS管芯設(shè)計(jì)

2.1 LDMOS芯片特性

LDMOS作為射頻微波器件，其工作原理是在輸入端施加激勵(lì)電壓信號(hào)Vg以控制器件的導(dǎo)通狀態(tài)，在輸出端獲得一個(gè)受輸入信號(hào)影響的放大電流信號(hào)從而獲得需要的輸出功率。表征其微波特性的主要指標(biāo)是功率、效率、增益及可靠性，LDMOS芯片的等效電路模型如圖1所示[6-7]。

圖1 LDMOS芯片等效電路模型

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，LDMOS管芯的輸出功率主要與器件的工作電壓、芯片總柵寬、芯片的導(dǎo)通電壓相關(guān)；增益主要由管芯的輸入電容Cgs、輸出電容Cds、反饋電容Cgd、跨導(dǎo)以及柵電阻Rg等決定；芯片的效率主要與源漏導(dǎo)通電阻和寄生電容相關(guān)；芯片的可靠性主要表現(xiàn)為抗失配能力和抗靜電能力，抗失配能力主要涉及場(chǎng)板及漂移區(qū)設(shè)計(jì)，抗靜電能力需要進(jìn)行防靜電設(shè)計(jì)。

2.2 芯片選擇

通過(guò)設(shè)計(jì)軟件初步計(jì)算可知，S波段、32 V工作電壓下，芯片的單位柵寬功率密度約為1.2 W/mm，為實(shí)現(xiàn)130 W的輸出功率，考慮到合成損耗、匹配損耗等因素，將芯片總柵寬設(shè)計(jì)為120 mm。但考慮到單個(gè)管芯柵寬越大，工藝研制難度越大，一致性難以控制，且阻抗過(guò)低會(huì)加大電路設(shè)計(jì)難度，故選用雙胞60 mm柵寬管芯合成結(jié)構(gòu)，該芯片的尺寸為5000μm×1540μm，單指長(zhǎng)度為480μm。

3 匹配電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 管芯阻抗提取

管芯和功率管的阻抗提取及微波性能評(píng)估通常采用負(fù)載牽引的方法，但對(duì)于大功率管芯和功率管，實(shí)部阻抗通常很小，50Ω牽引測(cè)試系統(tǒng)的阻抗覆蓋范圍有限，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試其最佳匹配阻抗。利用切比雪夫變換電路設(shè)計(jì)了5Ω及10Ω兩套負(fù)載牽引夾具[9-10]，選擇合理的介質(zhì)板材使得阻抗變換線的尺寸與被測(cè)件的端口尺寸保持對(duì)應(yīng)，以盡量減小阻抗變換過(guò)程中的誤差。為了精確獲得被測(cè)件的特征阻抗，針對(duì)測(cè)試頻率設(shè)計(jì)了TRL校準(zhǔn)套件，對(duì)負(fù)載牽引夾具進(jìn)行去嵌處理。

最終利用5Ω負(fù)載牽引夾具對(duì)60 mm管芯進(jìn)行大功率負(fù)載牽引測(cè)試，管芯的輸出功率Pout、漏極效率（Eff）、增益（Gain）隨輸入功率Pin的變化情況如圖2所示，在頻率為3.1 GHz、漏極電壓為32 V、靜態(tài)電流為100 mA、脈寬為100μs、占空比為10%且為最佳效率匹配時(shí)，管芯的輸出功率為48.42 dBm，漏極效率為49.46%，增益為12.85 dB，此時(shí)管芯的輸入阻抗為0.6-j0.5，輸出阻抗為0.9+j0.9。

圖2 輸出功率、漏極效率、增益的變化曲線

3.2 內(nèi)匹配設(shè)計(jì)

由于管芯阻抗較小且需要兩胞并聯(lián)，直接使用外匹配設(shè)計(jì)較難實(shí)現(xiàn)較好的寬帶性能，為方便匹配，需對(duì)器件進(jìn)行預(yù)匹配設(shè)計(jì)，輸入預(yù)匹配電路通常采用低通網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為保證帶寬，選用了兩級(jí)L-C-L的T型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為減小匹配結(jié)構(gòu)尺寸，三級(jí)電感均采用直徑50μm的金絲電感等效，兩級(jí)電容均采用MOS電容實(shí)現(xiàn)。輸出預(yù)匹配電路采用金絲等效諧振電感與器件輸出電容諧振的方式實(shí)現(xiàn)，輸出諧振一般調(diào)諧在頻帶的低端。通過(guò)參數(shù)提取得到器件所使用管殼的輸出端電容為3.46 pF，為了進(jìn)一步降低輸出阻抗虛部，提升輸出帶寬，在輸出端添加一級(jí)小電容增加匹配，器件的完整內(nèi)匹配原理圖及結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 器件內(nèi)匹配原理與結(jié)構(gòu)

預(yù)匹配設(shè)計(jì)完成后利用10Ω負(fù)載牽引夾具對(duì)預(yù)匹配電路進(jìn)行了測(cè)試及調(diào)試，測(cè)試條件為：脈寬100μs，占空比10%，漏極電壓32 V，靜態(tài)電流100 mA。最終測(cè)試得到2.7～3.1 GHz頻帶的P1dB壓縮點(diǎn)的最佳性能和輸入、輸出阻抗值如表1所示。

表1 預(yù)匹配后器件性能

可以看出，經(jīng)過(guò)預(yù)匹配設(shè)計(jì)后，器件的輸入輸出阻抗均得到了較大提升，而器件的增益、P1dB壓縮點(diǎn)的最佳性能稍有下降，屬于匹配合理?yè)p耗，預(yù)匹配設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)需求。

3.3 外匹配電路設(shè)計(jì)

器件的外匹配電路設(shè)計(jì)采用器件的負(fù)載牽引阻抗結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)全帶匹配，輸入輸出阻抗Z為50Ω，選擇高頻率點(diǎn)3.1 GHz的阻抗進(jìn)行匹配，同時(shí)為提升匹配效率，輸出阻抗點(diǎn)選擇在接近效率點(diǎn)的位置。在S波段，外匹配電路通常使用串聯(lián)階躍阻抗變化的微帶電路實(shí)現(xiàn)，介質(zhì)板材料選用Rogers 6006，介電常數(shù)Er為6.15，厚度H為0.64 mm。首先通過(guò)ADS仿真軟件進(jìn)行了輸入輸出匹配電路的仿真設(shè)計(jì)，圖4為輸入匹配電路的ADS原理圖及仿真結(jié)果，仿真時(shí)利用參數(shù)優(yōu)化控件對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，輸入設(shè)置的優(yōu)化變量為輸入駐波S(1,1)，優(yōu)化目標(biāo)為S(1,1)≤-15 dB。圖5為輸出匹配電路的ADS原理圖及仿真結(jié)果，輸出設(shè)置的優(yōu)化變量為插入損耗S(2,1)，優(yōu)化目標(biāo)為S(2,1)≥0.05 dB。仿真完成后生成了電路版圖，并添加偏置電路進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，最終完成了外匹配電路版圖的設(shè)計(jì)。

圖4 輸入匹配電路ADS原理及仿真結(jié)果

圖5 輸出匹配電路ADS原理及仿真結(jié)果

4 測(cè)試結(jié)果

完成版圖加工后，對(duì)器件及電路進(jìn)行了微波測(cè)試調(diào)試，調(diào)試過(guò)程中對(duì)測(cè)試電路進(jìn)行了微調(diào)，圖6為最終完成的器件及外匹配測(cè)試電路實(shí)物。在2.7～3.1 GHz頻率范圍、漏極電壓為32 V、工作脈寬為100μs、占空比為10%的條件下，全帶內(nèi)單管輸出功率達(dá)到130 W，增益達(dá)到了12.5 dB，漏極效率大于46%，功率管測(cè)試結(jié)果如圖7所示。對(duì)比表1中的負(fù)載牽引性能，電路測(cè)試結(jié)果略有下降，此為點(diǎn)頻性能到寬帶匹配的合理?yè)p耗。

圖6 器件及測(cè)試電路實(shí)物

圖7 全帶內(nèi)輸出功率、增益、漏極效率測(cè)試曲線

最后，利用紅外熱像儀對(duì)器件工作時(shí)的瞬態(tài)結(jié)溫進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖8所示，在保證殼溫為70℃的情況下，實(shí)測(cè)結(jié)溫最高為92℃，計(jì)算得出放大器瞬態(tài)熱阻約為0.15 K/W，遠(yuǎn)低于器件可承受的最高工作結(jié)溫，熱設(shè)計(jì)滿足要求。利用抗失配器對(duì)器件進(jìn)行了全帶內(nèi)5∶1抗失配試驗(yàn)，器件未出現(xiàn)損壞，驗(yàn)證了器件在工程應(yīng)用中的穩(wěn)健性。

圖8 射頻瞬態(tài)結(jié)溫

5 結(jié)論

基于南京電子器件研究所6英寸LDMOS技術(shù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的60 mm功率管芯，利用大功率負(fù)載牽引平臺(tái)進(jìn)行了匹配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在2.7～3.1 GHz工作頻率、32 V工作電壓、100μs脈寬、10%占空比、7 W輸入功率的條件下，可實(shí)現(xiàn)輸出功率大于130 W，增益大于12.5 dB，漏極效率大于46%，為L(zhǎng)DMOS在S波段大功率放大器的應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供了一種良好的可行性方案。