S波段寬帶GaN放大器的設(shè)計(jì)

　　摘 要： 氮化鎵功率管的寬帶隙、高擊穿電場等特點(diǎn)， 使其具有帶寬寬， 高效特性等優(yōu)點(diǎn)。為了研究GaN 功率放大器的特點(diǎn)， 使用了Ag ilent ADS 等仿真軟件， 進(jìn)行電路仿真設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)制作了一種S 波段寬帶GaN 功率放大器。詳述了電路仿真過程， 并對設(shè)計(jì)的寬帶GaN 功率放大器進(jìn)行測試， 通過測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明， 設(shè)計(jì)的寬帶放大器在S 波段寬帶內(nèi)可實(shí)現(xiàn)功率超過44 dBm 的功率輸出， 驗(yàn)證了GaN 功率放大器具有寬帶的特點(diǎn)。

　　新一代半導(dǎo)體功率器件主要有SiC 場效應(yīng)晶體管和GaN 高電子遷移率晶體管。寬禁帶半導(dǎo)體功率器件可以明顯提高電子信息系統(tǒng)的性能， 廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、戰(zhàn)斗機(jī)、海洋勘探等重要領(lǐng)域。本文使用Agilent ADS 仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款GaN 寬帶功率放大器， 并對放大器進(jìn)行了詳細(xì)測試， 驗(yàn)證了放大器在S 波段2 GHz 帶寬內(nèi)的寬帶性能。

　　1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　設(shè)計(jì)一款S 波段寬帶放大器， 滿足如下指標(biāo)：

　　工作頻率： S 波段;

　　工作帶寬： ± 1 000 MHz;

　　輸出功率：≥ 44 dBm;

　　效率： ≥30%。

　　2 寬帶放大器設(shè)計(jì)

　　2. 1 功率器材的選擇

　　為了在S 波段2 GHz 帶寬內(nèi)輸出25 W 的功率， 對射頻功率管有一定的要求： 例如低的輸出寄生電容、導(dǎo)通電阻等。常用的硅雙極管由于單管胞輸出功率有限，在高輸出功率下， 多管胞合成后的特性不能滿足寬帶設(shè)計(jì)要求。因此， 具有較高功率密度、低導(dǎo)通電阻、低寄生電容、高輸出阻抗的寬禁帶器件是實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的首選。

　　基于GaN 器件的寬帶功率放大器， 國外公開的報(bào)道已經(jīng)完成了三代基于管芯的寬帶功放研制。第一代功率放大器采用改進(jìn)的行波放大器結(jié)構(gòu)， 帶寬為1 ~8 GHz, 小信號增益為7 dB, V ds = 18 V 時(shí)輸出功率3. 6 W; 第二代功率放大器采用LCR 匹配， 并使用2 個(gè)Wilkinson 合成器實(shí)現(xiàn)4 路合成， 帶寬3~ 10 GHz, 小信號增益是7 dB, 在8 GH z 處最高輸出功率可達(dá)8. 5 W, 功率附加效率達(dá)到20% ; 第三代功率放大器采用改進(jìn)的2 ×2矩陣行波功率放大器結(jié)構(gòu)， 帶寬1 ~6 GHz, 輸出功率7. 5 W, 功率附加效率達(dá)到25%。

　　然而由于寬禁帶固態(tài)器件目前還處于迅速發(fā)展階段， 且在軍事及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用潛力， 導(dǎo)致高頻、大功率、管芯等器件還處于禁運(yùn)狀態(tài)， 因此該設(shè)計(jì)使用的寬禁帶功率管為允許對國內(nèi)銷售的貨架產(chǎn)品。經(jīng)綜合比較， 選定的器件指標(biāo)如表1 所示。

　　表1 寬禁帶功率器件指標(biāo)

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　　2. 2 ADS 射頻仿真

　　經(jīng)典的寬帶匹配理論由H · W ·Bode 發(fā)表于1945 年， 他應(yīng)用環(huán)路積分的方法對RC 并聯(lián)負(fù)載計(jì)算了匹配網(wǎng)絡(luò)的增益帶寬積， 證明其小于等于一個(gè)常數(shù)。

　　其后R· M · Fano , D · C · Youla 等人進(jìn)一步發(fā)展了寬帶匹配理論。然而， 在工程應(yīng)用設(shè)計(jì)中， 設(shè)計(jì)一個(gè)寬帶功率放大器， 需要在寬帶匹配理論的基礎(chǔ)上， 兼顧其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)和寬帶偏置網(wǎng)絡(luò)等; 因此， 該設(shè)計(jì)將基于功率匹配的概念， 利用大信號下的輸入/ 輸出阻抗、精確的非線性模型、諧波平衡仿真、負(fù)載牽引仿真設(shè)計(jì)等， 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)頻段的射頻性能。

　　在仿真設(shè)計(jì)過程中， 單節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路因其本身Q值較高， 匹配的頻率范圍窄， 只有在窄頻范圍內(nèi)匹配較好， 不能用于寬帶匹配。因此， 只能利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路進(jìn)行匹配， 并利用負(fù)反饋技術(shù)提高穩(wěn)定性和拓展帶寬。多節(jié)匹配電路的特點(diǎn)相對于單節(jié)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 占用幾何空間大， 可控變量多， 仿真分析需要更多時(shí)間， 但其優(yōu)點(diǎn)是能夠在更寬的帶寬中尋求更好的匹配設(shè)計(jì)。

　　在多支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)中， 輸入端各有多段微帶線， 每個(gè)微帶線有長度和寬度兩個(gè)變量， 這樣在輸入端和輸出端都有多個(gè)可控變量， 進(jìn)行ADS 優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)。在阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)時(shí)， 實(shí)際上是通過共軛匹配將要匹配的器件的端口逐漸匹配到50 的特性阻抗上。又因?yàn)橐话闫骷妮斎? 輸出阻抗在射頻頻段內(nèi)是隨著頻率的變化而變化的， 所以在用分布參數(shù)進(jìn)行電路匹配時(shí)， 不可能在所要求的頻段內(nèi)達(dá)到完全的匹配， 在寬帶要求的情況下， 更加難以實(shí)現(xiàn)。

　　因此， 只能采用一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式， 設(shè)計(jì)出符合指標(biāo)的匹配電路， 才可以將輸入/ 輸出阻抗匹配到50 的特性阻抗上。

　　構(gòu)建的匹配電路仿真模型如圖1 所示。

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　　圖1 ADS 仿真電路圖