倪 濤 鄭智潛

(華東電子工程研究所 合肥 230031)

1 引言

超寬帶功率放大器隨著通信和雷達(dá)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，需求量越來越大。在多制式與多標(biāo)準(zhǔn)的通信領(lǐng)域，需要拓展新的頻帶來滿足用戶日益增長的需求。在雷達(dá)領(lǐng)域，尤其在電子對(duì)抗和通信對(duì)抗一體化的進(jìn)程中，作為關(guān)鍵部件之一的寬帶固態(tài)功率放大器，產(chǎn)生了大量的市場(chǎng)需求[1]。

功率器件是功率放大器的核心，為了應(yīng)對(duì)大帶寬的發(fā)展要求，很多器件廠商提供了超寬帶的功率器件，無須用戶做外部匹配電路。而經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這些功率器件通常是小功率等級(jí)的，并且起伏較大，效率較低，只能作為功率放大鏈路的前級(jí)。而真正的難點(diǎn)在于末級(jí)大功率放大器的實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)這一需求難點(diǎn)，本文的主要工作是采用第三代半導(dǎo)體器件——GaN功率管，設(shè)計(jì)工作頻率為0.8－2GHz，輸出功率超過100W的超寬帶固態(tài)末級(jí)大功率放大器。

2 功放設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

工作頻率: 0.8－2.0 GHz

飽和輸出功率: ＞100W

飽和效率: ＞40%

增益平坦度: ＜±1.5dB

2.2 器件選型

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，本文采用Cree公司的寬禁帶功率管CGH40120F來進(jìn)行設(shè)計(jì)。這是一款GaN功率器件，根據(jù)器件資料顯示，這款器件可以工作在DC－2.5GHz(根據(jù)廠商最新發(fā)布的器件資料)，并且具有70%的極高效率。同時(shí)其具備寬禁帶功率管共有的其他優(yōu)勢(shì)，如擊穿電壓高可以使功率管工作在更高的電壓以提高功率，SiC襯底保證了熱膨脹系數(shù)的匹配，使得可以工作在更高的結(jié)溫，以及尺寸小等等，這些都是傳統(tǒng)器件所無法比擬的[1]。

同時(shí)器件資料中給出了能夠?qū)崿F(xiàn)大帶寬的關(guān)鍵參數(shù)——輸出阻抗，如表1所示。

表1 CGH40120F的阻抗參數(shù)

觀察表1中的阻抗特性，可以看出在500MHz到2000MHz之間，其阻抗變化范圍很小，尤其是輸出負(fù)載阻抗，并沒有大范圍的變化，這也為其能夠在一塊電路上實(shí)現(xiàn)大帶寬提供了可能。

2.3 電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)寬帶放大器要同時(shí)兼顧很多性能參數(shù)，包括飽和功率、增益、效率等，其需要解決的問題主要有兩個(gè):

a.寬帶匹配電路

在L波段，匹配電路通常采用微帶線的阻抗變換，這種分布式參數(shù)的電路通常帶寬很窄，其電長度隨頻率變化。因此，本文中的阻抗變換電路采用多支節(jié)匹配，具體尺寸參數(shù)在軟件中進(jìn)行優(yōu)化。

b.饋電電路

饋電電路除了為功率管供電外，還需要對(duì)功率管輸出的射頻信號(hào)進(jìn)行抑制。在L波段窄帶放大器的通常做法中，是采用中心頻率的四分之一波長線并聯(lián)對(duì)地高Q電容形成高阻。而在跨倍頻程的放大器中，由于微帶線的電長度隨頻率變化，無法采用這樣的方法形成全頻帶的高阻。因此本文采用了一種分段高阻的方法來實(shí)現(xiàn)饋電電路，如圖1所示。圖中饋電電路分為兩部分，一部分是大電流磁珠，其實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻段的高阻。磁珠額定電流為6A，為了保證電流容量，采用兩個(gè)并聯(lián)。磁珠的阻抗特性見圖2。

圖2中給出的阻抗只到1GHz，達(dá)到90Ω兩只并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)45歐姆的阻抗，相對(duì)于表1中所示的負(fù)載阻抗屬于高阻。而隨著頻率提高，超過1GHz的阻抗曲線雖然沒有給出，但是根據(jù)變化趨勢(shì)可以預(yù)測(cè)，阻抗在迅速降低，因此不能用磁珠來實(shí)現(xiàn)全頻段的高阻。為了實(shí)現(xiàn)高頻段的高阻，另外一部分就是采用中心頻率f0的四分之一波長線并聯(lián)對(duì)地高Q電容的形式，來實(shí)現(xiàn)高頻段的高阻抗，這里f0的頻率根據(jù)最終調(diào)試時(shí)電容的位置而定。

采用了以上的設(shè)計(jì)方法，首先對(duì)廠商提供的大信號(hào)模型在Agilent ADS軟件中進(jìn)行大信號(hào)仿真，仿真條件為:靜態(tài)電流1.0A，頻率掃描范圍0.8～2.0GHz，輸入功率為41dBm。經(jīng)過軟件對(duì)匹配電路的優(yōu)化，得到的仿真結(jié)果如圖3所示。

由于寬禁帶功率管的擊穿電壓很高，所以可以工作在更高的工作電壓。圖中箭頭所示方向?yàn)槁O電壓從28V增加到32V?？梢钥吹捷敵鲭妷汉托视忻黠@的提升，因此在后面的設(shè)計(jì)和調(diào)試中，漏極電壓設(shè)定為32V。圍內(nèi)，恒定輸入功率為41dBm條件下，飽和輸出功率為103W－122W，起伏只有±0.4dB，飽和效率大于60%，所有指標(biāo)滿足并超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

圖3 0.8～2GHz輸出功率和漏極效率仿真曲線

圖4 經(jīng)過調(diào)試之后的版圖

3 調(diào)試與測(cè)試

根據(jù)仿真結(jié)果得到的版圖進(jìn)行投產(chǎn)，微帶板采用RT6002，介電常數(shù)2.94，介質(zhì)厚度0.762mm，銅箔厚度35μm，功率管底部襯銅。

在第一輪測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果有一定的差別，主要是因?yàn)閺S商提供的大信號(hào)仿真模型和實(shí)際功率管阻抗參數(shù)有差別，根據(jù)仿真模型得到的匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗和實(shí)際阻抗不完全匹配，因此需要一定的調(diào)試。

經(jīng)過調(diào)試后，PCB版圖如圖4所示。圖中標(biāo)出了反射吸收電阻(該電阻的標(biāo)稱額定功率43dBm，而本電路最大輸入功率41dBm，滿足電阻的功率容量要求)、輸入饋電網(wǎng)絡(luò)、輸出饋電網(wǎng)絡(luò)。電路板下方是用來冷卻的水冷板。

連續(xù)波測(cè)試結(jié)果如圖5所示，其中頻率掃描步進(jìn)為50MHz。圖5(a)是每個(gè)頻點(diǎn)的功率輸入－輸出曲線。圖5(b)是每個(gè)頻點(diǎn)的輸出－效率曲線，圖5(c)是在恒定輸入41dBm條件下的飽和輸出功率和效率曲線。從測(cè)試結(jié)果可以看出，在0.8～2GHz全頻帶范

為了體現(xiàn)電路的寬帶性能，本文也調(diào)研了近幾年來發(fā)表的寬帶功放電路性能來作為對(duì)比。引用文獻(xiàn)[2]中的調(diào)研結(jié)果，如表2所示。通過表中幾項(xiàng)性能參數(shù)的對(duì)比可以看出，本文電路相對(duì)帶寬更大，輸出功率更高，起伏更小，同時(shí)漏極效率也基本和其他結(jié)果持平。

表2 本文結(jié)果和已發(fā)表文獻(xiàn)結(jié)果的對(duì)比

4 后仿真

為了能使電路能夠工程應(yīng)用，電路版圖需要進(jìn)行小型化。觀察圖4中的版圖，輸入輸出匹配電路占去了大部分的面積和尺寸，尤其在長度方向。所以小型化的處理也就集中在縮小輸入輸出匹配電路上。在小型化處理過程中，主要的原則是維持匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗不變。因此，本文對(duì)調(diào)試后的輸出匹配電路進(jìn)行了后仿真。同時(shí)后仿真也可以驗(yàn)證匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗和器件資料中的阻抗是否符合。仿真在ADS軟件中的Momentum中進(jìn)行。

根據(jù)圖4中的輸出匹配電路，經(jīng)過對(duì)調(diào)試后板圖的長度和寬度的測(cè)量，得到圖6所示的仿真模型。

對(duì)圖6的匹配電路模型進(jìn)行仿真，得到的阻抗史密斯圓圖如圖7所示。從阻抗圓圖上可以看出:

a.在工作頻段0.8－2GHz范圍內(nèi)，輸出阻抗均在一個(gè)很小的范圍內(nèi)變化，也就是阻抗變化不大。這也和表1中的阻抗變化趨勢(shì)相匹配，也就是在大帶寬的范圍內(nèi)，阻抗基本保持不變。

b.圖中標(biāo)出了1.5GHz的阻抗，為(4.258－j2.717)Ω，和器件資料中的(3.5－j0.6)Ω接近，但是有一定的差距。這也解釋了對(duì)于可以輸出120W的功率管，在提高工作電壓的條件下，輸出功率均小于120W的原因，也就是輸出阻抗并沒有匹配到最優(yōu)化，而是離最優(yōu)阻抗區(qū)域仍有一定的距離。

根據(jù)以上的分析結(jié)果，在下一步的小型化處理中，要做到以下兩個(gè)要求:

a.維持阻抗變化的小范圍。這也和器件的輸出阻抗變化趨勢(shì)相一致;

b.盡可能的接近最優(yōu)阻抗。也就是仿真要以器件資料中所給的阻抗為目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文利用寬禁帶GaN功率管CGH40120F，設(shè)計(jì)了覆蓋頻段0.8－2GHz的超寬帶大功率放大器，輸出功率超過100W，飽和功率起伏只有±0.4dB，飽和效率高于60%。并通過對(duì)調(diào)試后的電路進(jìn)行后仿真，驗(yàn)證了匹配電路的有效性，并為小型化處理指明了方向。

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