徐 濤，唐厚鷺，王昭筆，曹歡歡

(1.電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610000；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

C波段GaN HEMT內(nèi)匹配功率放大器

徐 濤1，唐厚鷺1，王昭筆1，曹歡歡2

(1.電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610000；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

基于通信對(duì)功率放大器的寬帶和高效率的需求，給出了一款C波段GaN HEMT內(nèi)匹配功率放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程。該器件由2個(gè)3 mm柵寬的GaN功率管芯和制作在Al2O3陶瓷基片上的輸入輸出匹配電路組成。通過(guò)調(diào)節(jié)鍵合絲和電容，實(shí)現(xiàn)了功率放大器在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三個(gè)典型工程應(yīng)用頻段的設(shè)計(jì)，功放在這3個(gè)典型工程應(yīng)用頻段內(nèi)輸出功率均大于43 dBm(20 W)，附加效率大于60%，功率增益大于10 dB，充分顯示了GaN功率器件寬帶、高效率的工作性能。

GaN；HEMT；寬帶；高效率；功率放大器

0 引言

射頻/微波功率器件在軍工和民品領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如通信、雷達(dá)、導(dǎo)航和衛(wèi)星等，其性能好壞直接影響整個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)的性能。GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor，HEMT)憑借其高功率密度、功率附加效率和擊穿電壓等特點(diǎn)，成為近年來(lái)各國(guó)微波功率器件研究的重點(diǎn)[1]。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)取得了迅猛發(fā)展，對(duì)固態(tài)功率放大器的需求日益增多，對(duì)產(chǎn)品的性能也提出了更高的要求。如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，低成本、高效率地完成產(chǎn)品的研制，成為功放研制的一個(gè)重點(diǎn)[2]。由于對(duì)功放的頻段、種類(lèi)和功率量級(jí)的需求越來(lái)越多樣化，因此經(jīng)常需研制每個(gè)工程頻段/每個(gè)功率量級(jí)的功放，使得設(shè)計(jì)和投板次數(shù)增多，研制周期變長(zhǎng)?？梢?jiàn)，一個(gè)功率放大器若帶寬很寬、效率很高，將大大縮短研制周期，并將在國(guó)防和軍事領(lǐng)域取得更大的應(yīng)用。

針對(duì)多個(gè)行業(yè)對(duì)寬帶、高效率功率放大器的迫切需求，本文給出了C波段GaN HEMT寬帶、高效率功率放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程、測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果。

1 GaN HEMT器件

設(shè)計(jì)所采用的GaN HEMT管芯是國(guó)產(chǎn)自主研制，器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)(MOCVD)完成SiC外延材料的制作；再采用刻蝕工藝制作臺(tái)面，實(shí)現(xiàn)晶圓芯片有源區(qū)與無(wú)源區(qū)的隔離。柵結(jié)構(gòu)為T(mén)型柵，采用離子注入進(jìn)行臺(tái)面隔離，形成有源區(qū)和布線(xiàn)區(qū)[3]。在外延材料上制作SiN絕緣層，柵金屬直接蒸發(fā)在絕緣層上；利用電子束光刻制作窗口，然后采用電子束蒸發(fā)工藝制作Ni/Au柵。為了減小表面態(tài)，材料表面采用了氧化工藝，最后通過(guò)橋連工藝得到總柵寬為3 mm的功率管芯[4]。

圖1 GaN HEMT橫截面

2 內(nèi)匹配電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 功率放大器設(shè)計(jì)原理

功率放大器采用傳統(tǒng)的“T”型LCL低通濾波網(wǎng)絡(luò)外加Wilkinson功分/合成進(jìn)行阻抗變換，并采用2只柵寬為3 mm的0.25 μm工藝的氮化鎵功率管進(jìn)行合成。功率放大器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，結(jié)合ADS的阻抗?fàn)恳ぞ吆吞峁┑墓β使苣Ｐ蛯?duì)所選功率管進(jìn)行阻抗分析[5]。

圖2 GaN功率放大器的結(jié)構(gòu)

輸入輸出網(wǎng)絡(luò)中的功分器采用微帶結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)阻抗變換的同時(shí)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的功分輸入及功率合成輸出。Wilkinson阻抗變換網(wǎng)絡(luò)輸入輸出的阻抗變換比越小，該匹配網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋的頻帶越寬。設(shè)計(jì)的Wilkinson匹配網(wǎng)絡(luò)通過(guò)設(shè)計(jì)的調(diào)試點(diǎn)的調(diào)節(jié)，能夠在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三個(gè)頻段，實(shí)現(xiàn)從50 Ω變換到30 Ω的阻抗變換。介質(zhì)基板選用氧化鋁陶瓷基板，介電常數(shù)為9.9，厚度為0.254 mm[6]。

匹配電路采用“T”型LCL低通濾波網(wǎng)絡(luò)將晶體管的輸入輸出阻抗轉(zhuǎn)換為實(shí)阻抗30 Ω。其中，L通過(guò)金絲鍵合引線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。鍵合引線(xiàn)電感在滿(mǎn)足電路匹配的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)器件和微帶電路的電氣互連[7]。C采用單層陶瓷電容。晶體管的柵極和漏極上用“T”型枝節(jié)進(jìn)行匹配。通過(guò)金絲鍵合引線(xiàn)和單層陶瓷電容的調(diào)節(jié)，使電路有更好的阻抗變換比和更強(qiáng)的適應(yīng)性。仿真發(fā)現(xiàn)，通過(guò)金絲鍵合引線(xiàn)和單層陶瓷電容的調(diào)節(jié)，能夠在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三個(gè)頻段將管芯的負(fù)載阻抗和源阻抗匹配到30 Ω。直流偏置電路采用1/4波長(zhǎng)線(xiàn)與扇形線(xiàn)或?qū)Φ囟搪冯娙菹嘟Y(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)[8]。

2.2 CAD設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

電路結(jié)構(gòu)、工藝確定后，利用ADS軟件設(shè)計(jì)電路原理圖進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到電路各個(gè)元件的參考值。但原理圖仿真并未考慮版圖中器件之間的相互耦合，得到的元件值與實(shí)際存在差距。原理圖設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)無(wú)源部分電路進(jìn)行版圖仿真及替換，以驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性[9]?？上葘⒐Ψ志W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單獨(dú)版圖仿真，再和有源器件一起搭建仿真電路拓?fù)?，仿真電路拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 功率放大器仿真電路拓?fù)?/p>

圖3中，C1和C2為單層陶瓷電容，L1和L2為金絲電感，在版圖設(shè)計(jì)中添加了1/2兩排調(diào)試點(diǎn)。通過(guò)對(duì)C1、C2、L1、L2以及1/2的調(diào)節(jié)，最終的仿真結(jié)果分別如圖4、圖5和圖6所示。

仿真結(jié)果表明，功率放大器可以在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三個(gè)頻率范圍內(nèi)飽和輸出功率≥20 W，附加效率≥60%，能夠達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。

圖4 4.4～5.0 GHz功率和附加效率的仿真結(jié)果

圖5 5.2～5.9 GHz功率和附加效率的仿真結(jié)果

圖6 6.0～6.6 GHz功率和附加效率的仿真結(jié)果

2.3 電路測(cè)試方法

利用成型的微波薄膜混合工藝進(jìn)行功率放大器的裝配，功率管芯和單層陶瓷電容全部采用金錫燒結(jié)于管殼內(nèi)。為確保鍵合線(xiàn)長(zhǎng)度的精確和一致性，利用半自動(dòng)鍵合臺(tái)對(duì)鍵合線(xiàn)的長(zhǎng)度和弧度進(jìn)行控制[10]。功放電路封裝后的實(shí)物照片如圖7所示。

圖7 功放實(shí)物

建立的微波功率測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖8所示。被測(cè)器件的輸入功率通過(guò)耦合器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)大功率衰減器進(jìn)入功率計(jì)[11]。

圖8 微波功率測(cè)試系統(tǒng)

3 微波性能測(cè)試

參照ADS的仿真結(jié)果以及變化趨勢(shì)，對(duì)C1、C2、L1、L2以及1/2進(jìn)行調(diào)試。經(jīng)測(cè)試，在柵壓為-2.3 V、漏壓為+28 V工作電壓且輸入功率統(tǒng)一為33 dBm的情況下，GaN功率放大器在4.4～5.0 GHz，5.2～5.9 GHz和6.0～6.6 GHz三個(gè)頻率范圍內(nèi)的飽和輸出功率≥20 W，功率增益≥10 dB，附加效率≥60%，帶內(nèi)功率平坦度<±0.3 dB，顯示出良好的性能，實(shí)現(xiàn)了功率放大器的可重構(gòu)設(shè)計(jì)。3個(gè)頻段的功率和附加效率隨頻率的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)分別如圖9、圖10和圖11所示。

圖9 4.4～5.0 GHz功率和附加效率的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

圖10 5.2～5.9 GHz功率和附加效率的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

圖11 6.0～6.6 GHz功率和附加效率的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

最后，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行高低溫實(shí)驗(yàn)。結(jié)溫測(cè)試、頻譜分析等穩(wěn)定性和可靠性分析顯示，該功率放大器性能指標(biāo)合格，并成功應(yīng)用在某雷達(dá)功率發(fā)射組件上，且應(yīng)用狀態(tài)良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從功率放大器的設(shè)計(jì)理論出發(fā)，使用ADS軟件進(jìn)行了功率放大器的設(shè)計(jì)，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，同一版圖在3個(gè)典型工程應(yīng)用頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較好的輸出功率和較高的功率附加效率。研制的寬帶、高效率功率放大器，提高了工作效率，減少了投板次數(shù)，縮短了研制周期，具備廣闊的工程應(yīng)用前景。

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徐 濤 男，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：C波段GaN內(nèi)匹配功率放大器、毫米波TR組件和毫米波電路與系統(tǒng)。

唐厚鷺 男，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：C波段GaN內(nèi)匹配功率放大器、毫米波電路與系統(tǒng)。

C-band GaN HEMT Internally-matched Power Amplifier

XU Tao1,TANG Hou-lu1,WANG Zhao-bi1,CAO Huan-huan2

(1.InstituteofPhysicalElectronics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,ChengduSichuan610000,China;2.The13thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050051,China)

Based on the requirement of broadband and high efficiency of power amplifier,this paper presents the design process of a C-band GaN HEMT internally-matched power amplifier.The device is composed of two 3 mm gate width GaN HEMT dies and the input and output matching circuit on the Al2O3ceramic substrate.The design of power amplifier in the three typical engineering application frequency bands of 4.4～5.0 GHz,5.2～5.9 GHz and 6.0～6.6 GHz is realized by adjusting the bond wires and capacitances.In these typical engineering application frequency bands,the power amplifier output power is more than 43 dBm (20 W),the power added efficiency is greater than 60%,and the power gain is greater than 10 dB.It fully shows the work performance of the GaN power amplifier with wide bandwidth and high efficiency.

GaN;HEMT;broadband;high efficiency;power amplifier

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.14

徐 濤,唐厚鷺,王昭筆,等.C波段GaN HEMT內(nèi)匹配功率放大器[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2017,47(3):54-57.

2016-12-15

TN454

A

1003-3106(2017)03-0054-04