摘 要:氮化鎵(GaN)作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表之一，由于其寬帶隙、高擊穿電場強(qiáng)度等特點(diǎn)，被認(rèn)為是高頻功率半導(dǎo)體器件的理想材料。為研究GaN功率放大器的特點(diǎn)，基于Agilent ADS仿真軟件，利用負(fù)載/源牽引方法設(shè)計(jì)制作了一種S波段GaN寬禁帶功率放大器(10 W)。詳細(xì)說明了設(shè)計(jì)步驟并對放大器進(jìn)行了測試，數(shù)據(jù)表明放大器在2.3～2.4 GHz范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)功率超過15 W，附加效率超過67%的輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，GaN功率放大器具有高增益、高效率的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:寬禁帶半導(dǎo)體; 功率放大器; 附加效率; GaN

中圖分類號:TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0045-03

Design of GaN Wide-bandgap Power Amplifier with High Efficiency

ZHANG Fang-di1， ZHANG Min1， YE Pei-da2

(1. East China Research Institute of Electronic Engineering， Heifei 230031， China;

2. Key Lab of Information Photonics and Optical Communications， Ministry of Education， School of Telecommunication Engineering，

Beijing University of Posts and Telecommunications， Beijing 100876， China)

Abstract: GaN as one typical representative of the third generation semiconductor materials is considered to be a perfect candidate for high-frequency semiconductor power devices due to its features such as wide bandgap and high critical electric field. By using a loadpull/sourepull method， a S-band GaN wide-bandgap power amplifier (10 W) is designed and fabricated based on the Agilent ADS software to investigate the properties of GaN power amplifier. The design procedure for the power amplifier is illustrated in detail. The power amplifier was tested. The test results show that the output power over 15W and power added efficiency (PAE) above 67% can be realized by the designed amplifier at the range of 2.3～2.4 GHz， and prove that the GaN wide-bandgap power device has the characteristics of high gain and high efficiency.

Keywords: wide-bandgap semiconductor; power amplifier; power added efficiency; GaN

0 引 言

半導(dǎo)體功率器件按材料劃分大體經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一代半導(dǎo)體功率器件以Si雙極型功率晶體管為主要代表，主要應(yīng)用在S波段及以下波段中[1]。Si雙極型功率晶體管在L波段脈沖輸出功率可以達(dá)到數(shù)百瓦量級，而在S波段脈沖功率則接近200 W。第二代半導(dǎo)體功率器件以GaAs場效晶體管為代表，其最高工作頻率可以達(dá)到30~100 GHz。GaAs場效應(yīng)晶體管在C波段最高可輸出功率接近100 W，而在X波段則可達(dá)到25 W。第三代半導(dǎo)體功率器件以SiC場效應(yīng)晶體管和GaN高電子遷移率晶體管為主要代表。同第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，SiC和GaN半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于高頻、高功率、抗輻射的功率器件，并且可以在高溫惡劣環(huán)境下工作[2-5]。由于具備這些優(yōu)點(diǎn)，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)用于人造衛(wèi)星、火箭、雷達(dá)、通訊、戰(zhàn)斗機(jī)、海洋勘探等重要領(lǐng)域[6-10]。

本文基于Agilent ADS仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款高效GaN寬禁帶功率放大器，詳細(xì)說明設(shè)計(jì)步驟并對放大器進(jìn)行了測試，結(jié)果表明放大器可以在2.3~2.4 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率15 W以上，附加效率超過67%的輸出。

1 GaN寬禁帶功率放大器的設(shè)計(jì)

1.1 放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)

在2.3~2.4 GHz工作頻段內(nèi)，要求放大器連續(xù)波工作，輸出功率大于10 W，附加效率超過60%。

1.2 功率管的選擇

根據(jù)放大器要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)選用的是某進(jìn)口公司提供的SiC基GaN寬禁帶功率管，其主要性能參數(shù)見表1。

1.3 放大器電路設(shè)計(jì)

圖1為功率放大器原理框圖。圖1中，IMNBias和OMNBias分別為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)及輸入偏置電路和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)及偏置電路，VGS和VDS分別為柵極-源極工作電壓和漏極-源極工作電壓。采取的設(shè)計(jì)思路是:對功率管進(jìn)行直流分析確定放大器靜態(tài)工作電壓;進(jìn)行穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì);利用源牽引(Source Pull)和負(fù)載牽引(Load Pull)方法確定功率管匹配電路的最佳源阻抗ZS和最佳負(fù)載阻抗ZL(ZS和ZL的定義見圖1);根據(jù)獲得的源阻抗與負(fù)載阻抗進(jìn)行輸入、輸出匹配電路設(shè)計(jì)以及偏置電路設(shè)計(jì);加工、調(diào)試及改版。

表1 GaN功率器件性能參數(shù)

頻率范圍Up to 4 GHz小信號增益(最小)14 dB

P3dB輸出功率(最小)13 W效率(P3dB)65%

工作電壓28 V擊穿電壓VBR(最小)84 V

器件結(jié)溫(最大)175 ℃熱阻5 ℃/W

圖1 功率放大器原理框圖

1.3.1 直流分析

對功率放大器進(jìn)行直流分析的目的是通過功率管的電流-電壓(I-V)曲線確定功率管的靜態(tài)工作電壓。由于廠家提供了功率管的ADS模型，因此設(shè)計(jì)中直接利用該模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)(下同)。

圖2為在Agilent ADS軟件中對器件模型進(jìn)行直流分析的結(jié)果。根據(jù)廠家給出的器件規(guī)格參數(shù)以及圖2中的I-V曲線，選用VDS=28 V，VGS=-2.5 V作為放大器的工作電壓。為使放大器能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率，這里選取靜態(tài)電壓讓放大器在C類條件下工作。

圖2 基于ADS模型的功率管I-V曲線

1.3.2 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是放大器設(shè)計(jì)中需要考慮的關(guān)鍵因素之一，它取決于晶體管的S參數(shù)和置端條件。功率放大器的不穩(wěn)性將產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的寄生振蕩，導(dǎo)致結(jié)果失真，甚至設(shè)計(jì)失敗。因此，在進(jìn)行放大器阻抗匹配電路設(shè)計(jì)之前，必須進(jìn)行穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)。

圖3給出了功率管穩(wěn)定系數(shù)隨頻率的變化曲線。圖3中，穩(wěn)定系數(shù)K與D分別定義為:

K=1-S11-S22+D22S12S21 (1)

D=S11S22-S12S21 (2)

從圖3可以看出，在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)K和D分別滿足大于1和小于1的條件，所以功率管為無條件穩(wěn)定[11]。

圖3 功率管穩(wěn)定系數(shù)隨頻率的變化曲線

1.3.3 源牽引與負(fù)載牽引分析

源牽引/負(fù)載牽引分析方法原理:放大器在大信號電平激勵(lì)下，通過連續(xù)變換源阻抗/負(fù)載阻抗對功率管進(jìn)行分析，然后在Smith阻抗圓圖上畫出等功率曲線和等增益曲線，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇出最佳源阻抗/最佳負(fù)載阻抗準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出滿足要求的功率放大器。

分析中選取中心頻率f=2.35 GHz。為準(zhǔn)確獲取功率管的最佳源阻抗ZS和最佳輸出阻抗ZL，分析過程中遵循效率優(yōu)先的策略，并采取如下步驟:

首先，假定ZS(0)=10 Ω進(jìn)行負(fù)載牽引分析獲得ZL(1);然后，根據(jù)ZL(1)進(jìn)行源牽引分析獲得ZS(1);再根據(jù)ZS(1)進(jìn)行負(fù)載牽引分析得到ZL(2)，…。重復(fù)進(jìn)行源牽引分析與負(fù)載牽引分析，直至前后兩次得到的負(fù)載阻抗ZL相等或者相差很小為止。

圖4為進(jìn)行源牽引分析和負(fù)載牽引分析得到的功率管輸出功率、附加效率(Power Added Efficiency，PAE)等高線圖。圖4中，功率管的附加效率定義為:

ηPAE=(POUT-PIN)/PDC (3)

式中:POUT，PIN和PDC分別為放大器輸出功率、輸入功率和電源消耗功率;ηPAE代表功率附加效率。

從圖4中可以讀出功率放大器的最佳源阻抗與最佳負(fù)載阻抗分別為ZS=2.1-j6.5 Ω與ZL=13+j7.8 Ω。

1.3.4 匹配網(wǎng)絡(luò)、偏置電路設(shè)計(jì)

匹配電路主要用來進(jìn)行阻抗變換，其最終的目的是為了實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸。在仿真設(shè)計(jì)過程中，首先假設(shè)是在理想偏置電路的情況下利用取得的最佳源阻抗和最佳負(fù)載阻抗進(jìn)行輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，然后根據(jù)1/4λ準(zhǔn)則進(jìn)行偏置電路設(shè)計(jì)，并通過微調(diào)電路部分參數(shù)使偏置電路滿足射頻扼流的要求。在Agilent ADS軟件中，為使設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確模擬真實(shí)情況，一般需要在電路設(shè)計(jì)(基于模型的)之后進(jìn)行RF Momentum優(yōu)化仿真。圖5為Agilent ADS軟件設(shè)計(jì)的放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與偏置電路。圖5中，微波電路基板材料選用的是Rogers公司的RT/duroid 6002板材，介電常數(shù)為2.94，厚度為0.254 mm。優(yōu)化仿真過程中發(fā)現(xiàn):放大器的效率和帶寬是一對矛盾，當(dāng)效率提高時(shí)，帶寬變窄，反之亦然。

圖4 功率管功率、附加效率等高線圖

圖5 匹配網(wǎng)絡(luò)與偏置電路

2 指標(biāo)測試

放大器實(shí)物如圖6所示。

圖6 放大器實(shí)物圖

對設(shè)計(jì)的寬禁帶功率放大器進(jìn)行了測試。測試條件是:連續(xù)波工作，漏極電壓VDS=28 V，柵極電壓VGS=-2.5 V。圖7為頻率為2.35 GHz時(shí)，放大器輸出功率、附加效率隨輸入功率的變化曲線。由測試結(jié)果可知:隨著輸入功率的增大，放大器的輸出功率近似呈線性增大，在26 dBm開始出現(xiàn)飽和;隨著輸入功率的增大，放大器附加效率增大，在27 dBm時(shí)達(dá)到最大附加效率68.5%。實(shí)驗(yàn)還在2.2~2.6 GHz頻率范圍內(nèi)(0.5 GHz為步長)測試了放大器的輸出功率和附加效率參數(shù)，測試結(jié)果如圖8所示。在2.25~2.5 GHz頻率范圍內(nèi)，放大器輸出功率在10 W以上，附加效率也超過60%。在2.3~2.4 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率超過15 W，附加效率超過67%，放大器滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖7 輸出功率、附加效率隨輸入功率的變化曲線

圖8 輸出功率、附加效率隨頻率的變化曲線

3 結(jié) 語

利用SiC基GaN寬禁帶功率器件設(shè)計(jì)制作了S波段10 W功率放大器。試驗(yàn)測試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的放大器在2.3~2.4 GHz內(nèi)附加效率在67%以上，也證實(shí)了寬禁帶器件高效率、高增益的特點(diǎn)。

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