李小春

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

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一種小型化高線性GaN功放器設計

李小春

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

采用ADS軟件對一種高線性GaN功率放大器進行匹配電路設計，并制作了一款超小尺寸的高線性放大電路。該電路采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作為基板，放大晶體管選用無封裝芯片，在5mm×6mm的小尺寸范圍內完成電路制作。制作的小尺寸高線性放大電路實現了在輸入雙音信號頻率為4GHz和4.002GHz、輸出總功率為2W時，三階互調抑制35dBc，功率附加效率35%。

ADS軟件；高線性;功率放大器

0 引 言

功率放大器是現代射頻通信系統中的關鍵部件，功率放大器的輸出功率、效率以及線性度等會對整個無線系統產生非常重要的影響。在現代雷達通信系統中，處理多載波、變包絡的調制信號的末級線性功率放大器起著舉足輕重的作用。功率放大器的非線性失真對通信系統的影響很大，其產生的干擾會導致輸出信號的相位和幅度發(fā)生畸變，造成頻譜擴展。頻譜作為一種不可再生的自然資源現在已變得日益緊張。因此，射頻系統對線性度的要求越來越高。

易匹配、穩(wěn)定性好、功率高、尺寸小的功放可以給應用帶來不少方便，減少設計難度。常用的功放設計技術有微波混合集成電路(MMIC)技術和印制電路板(PCB)技術。MMIC功放尺寸小，研制周期長;PCB功放尺寸大，研制周期短。本文介紹的4GHz高線性功放結合MMIC和PCB的優(yōu)勢，功率管選用無封裝芯片，高介電常數瓷片作為基板，用芯片電容和微帶線進行匹配電路設計，在5mm×6mm的小尺寸范圍內實現了高線性功放的設計。

1 功放設計

1.1 功放原理

放大器的穩(wěn)定性是放大器設計時需要考慮的一項重要因素，分為無條件穩(wěn)定和條件穩(wěn)定2類，通常用Rollet系數來檢驗。Rollet系數定義為：

(1)

其中：

|Δ|=|S11S22-S12S21|

(2)

當K>1和|Δ|<1同時滿足時，放大器是無條件穩(wěn)定的。

功放的原理圖如圖1所示。采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作為基板，其相對介電常數為9.9，損耗角正切為0.000 2。仿真用的晶體管模型采用廠家提供的小信號S參數模型。使用Agilent公司的ADS電路系統仿真軟件對放大電路進行仿真，通過優(yōu)化無源器件的值和傳輸線的參數得到最大增益。仿真增益與頻率曲線如圖2所示。輸入輸出駐波與頻率曲線如圖3所示。

圖2 仿真增益與頻率仿真曲線

圖3 仿真輸入輸出駐波與頻率仿真曲線

1.2 電路版圖設計

小型化2W功率放大器采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作為基板，先將功率管芯片和基板燒結到鉬銅載體上，再將芯片電容用導電膠粘接到瓷片上進行電路匹配，最后用直徑為25μm的金絲通過鍵合方式實現連接。布線采用的工藝最小線寬、線間距均為100μm，孔直徑為200μm。瓷片底部要求高溫焊接，通孔采用金屬化孔，以保證電導率。圖4所示為制作的放大電路實物照片，放大器電路有效面積為5mm×6mm。

圖4 放大器實物照片

2 放大器性能

制作的小型化高線性放大器的工作點為漏源電壓+28V，柵源電壓-1.2V，漏源靜態(tài)電流為50mA。

在3.7～4.2GHz頻段內實測的增益隨頻率的變化曲線如圖5所示。輸入輸出端口駐波隨頻率的變化曲線如圖6所示。

圖5 小信號增益隨頻率變化曲線

圖6 輸入/輸出駐波隨頻率變化曲線

經過對比發(fā)現，實測結果和仿真結果吻合得比較好。實測的增益比仿真小約0.7dB，主要原因為在真模型中未考慮鍵合引線的影響，另外還有有源和無源元器件的實際參數與標稱參數誤差的影響。

放大電路的仿真是基于廠家給出的小信號S參數模型。廠家未給出晶體管放大器的大信號模型，所以未對放大電路進行大信號模式下的三階互調和功率附加效率仿真。

在輸入雙音信號頻率為4GHz和4.002GHz時，對放大電路的非線性進行了測量。在輸出總功率為2W時，三階互調抑制為35dBc，漏源動態(tài)電流為200mA，功率附加效率為35%。

3 結束語

本文采用ADS軟件對一種高線性GaN放大器進行匹配電路設計，并制作完成了一款超小尺寸的高線性放大電路。該電路采用0.254mm厚的Al2O3陶瓷作為基板，用芯片電容進行電路匹配，鍵合引線進行端口連接，在5mm×6mm的小尺寸范圍內完成電路設計并實現預期指標。與常規(guī)采用封裝晶體管及表貼器件進行匹配設計的放大器相比，在性能相當的情況下，極大地縮小了體積，提高了集成度。測試結果表明, 該小型化高線性放大器性能優(yōu)良,適合于工程應用生產。

[1]MISHRAUK,SHENL,KAZIORTE,etal.GaN-basedRFpowerdevicesandamplifiers[J].ProceedingsofTheIEEE,2008,2(96):25-27.

[2]CHEHRENEGARP,AXELSSONO,GRAHNJ,RORSMANN,etal.Designandcharacterizationofhighlylinear3GHzGaNHEMTamplifier[C]//HolgerArthaber,GottfriedMagerl.2011WorkshoponIntegratedNonlinearMicrowaveandMillimetre-waveCircuits,IEEE.Vienna,2011:1-4.

[3]SAYEDA,BOECKG.5WHighlylinearGaNpoweramplifierwith3.4GHzbandwidth[C]//ProceedingsofThe37thEuropeanMicrowaveConference.Munich,Germany,2007:631-634.

[4]BROZNICA,BLECICR,BARICA.A2.5GHzGaNpoweramplifierdesignandmodelingbycircuit-electromagneticco-simulation[C]//ProceedingsofThe35thInternationalConventionMIPRO,IEEE.Opatija,Croatia,2012:21-25.

[5]POZARDM.微波工程[M].張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

DesignofAMiniaturizationGaNPowerAmplifierwithHighLinearity

LIXiao-chun

(The13thResearchInstitute;ElectronicsTechnologyGroupCorporationofChina,Shijiazhuang050051,China)

ThispaperusesADSsoftwaretodesignamatchingcircuitfortheGaNpoweramplifierwithhighlinearity,andmakesanultra-miniamplifyingcircuitwithhighlinearity.ThecircuitusesAl2O3ceramicof0.254mmthicknessasbasicboard,andtheamplifyingtransistorselectsthechipwithnoencapsulation,thenthecircuitisfabricatedinsmallsizeofonly5mm×6mm.Thefabricatedsmallamplifyingcircuitwithhighlinearityrealizes:third-orderintermodulationrejectionis35dBcandthepoweradditionalefficiencyis35%whentheinputtwo-tonesignalfrequenciesare4GHzand4.002GHzandthetotaloutputpoweris2W.

ADSsoftware；highlinearity;poweramplifier

2016-01-26

TN

B

CN32-1413(2016)03-0118-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.030