周澤倫，多新中，王棟

(西安電子工程研究所，西安710100)

S波段GaN微波功率器件的研制*

周澤倫，多新中，王棟*

(西安電子工程研究所，西安710100)

簡要介紹了第3代新型半導(dǎo)體材料GaN的特點(diǎn)和優(yōu)勢，基于Agilent ADS微波仿真軟件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款工作于S波段基于GaN的高效超寬帶微波功率器件。測試結(jié)果表明，該器件適用于2.7 GHz～3.5 GHz的超寬帶，連續(xù)波和脈沖制式均可工作，在飽和狀態(tài)下，輸出功率大于15W，增益達(dá)到13 dB，漏極效率超過45%，并在管殼內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了匹配和偏置電路，對GaN MOSFET微波功率器件小型化、超寬帶、高增益和高效率的優(yōu)異性能得以驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)。

GaN;微波功率器件;ADS;超寬帶;高效率

電子對抗、雷達(dá)、探測等重要的通信系統(tǒng)快速發(fā)展，固態(tài)微波寬帶功率器件被廣泛應(yīng)用、需求不斷增加，通信系統(tǒng)對其小型化、超寬帶、高增益以及高效率的關(guān)鍵技術(shù)要求與日俱增?；趪野踩?、通信需求、經(jīng)濟(jì)效益等因素的考慮，研究開發(fā)出相關(guān)設(shè)備所用的更高性能的微波功率器件成為迫切需要解決的問題。

高熱導(dǎo)率、低漏電流以及更小的介電常數(shù)和更高的電子飽和率等，這些特點(diǎn)有助于提高晶體管的擊穿電壓，另外抑制電流崩塌效應(yīng)，對提高器件的功率密度、漏極效率和增益等用處很大，且在工藝中容易實(shí)現(xiàn)，第3代新型半導(dǎo)體材料GaN在射頻和大功率領(lǐng)域具有很大優(yōu)勢［1］。

基于Agilent ADS仿真軟件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款工作于S波段基于GaN的高效超寬帶微波功率器件，具體為2.7 GHz～3.5 GHz，以15W為輸出功率，比之于現(xiàn)國內(nèi)市場上的2.7 GHz～3.1 GHz和3.1 GHz～3.5 GHz更具有超寬帶優(yōu)越性，功率增益高達(dá)13 dB，效率超過45%，并將關(guān)鍵的輸入輸出匹配電路和直流偏置電路與晶體管一樣置于管殼當(dāng)中。對比國內(nèi)外MMIC產(chǎn)品，該器件更加靈活且具有更低的價格;對比同類GaN產(chǎn)品，小型化和集成度更具優(yōu)勢。該產(chǎn)品主要用在國產(chǎn)軍事雷達(dá)裝備中，將前端傳輸來的脈沖信號功率放大，再傳輸給天線發(fā)射出去，是雷達(dá)裝備的關(guān)鍵部件。每年S波段雷達(dá)對器件的需求在數(shù)十萬只，市場潛力巨大，是一項(xiàng)很有意義的課題。

1 仿真與設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)指標(biāo)和晶體管的選擇

在2.7 GHz～3.5 GHz工作頻段內(nèi)，要求器件在連續(xù)信號和脈沖信號下均可工作，飽和狀態(tài)下，輸出功率大于15W，漏極效率超過45%，功率增益大于13 dB。主要是憑借對CREE公司提供的GaN MOSFET晶體管CGH60015D進(jìn)行內(nèi)部阻抗匹配電路和內(nèi)部直流偏置電路的設(shè)計(jì)和測試，進(jìn)行工程應(yīng)用研究。

1.2 直流分析

通過廠家提供的晶體管ADS模型進(jìn)行直流分析，得到電流-電壓(I-V)曲線以確定其靜態(tài)工作點(diǎn)，如圖1所示。結(jié)合數(shù)據(jù)手冊推薦晶體管在AB類條件下工作，選用Q點(diǎn)VDS=32 V，VGS=-3.1 V作為器件的工作點(diǎn)。

圖1 晶體管直流分析I－V曲線

1.3 電路的仿真與設(shè)計(jì)

GaN MOSFET晶體管的正常工作需要對應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)總框圖如圖2所示。

圖2 總框圖

1.3.1 源牽引與負(fù)載牽引的分析

通過ADS，在大信號輸入下，反復(fù)變換源阻抗(ZS)和負(fù)載阻抗(ZL)對晶體管進(jìn)行分析，可以在Smith阻抗圓圖上繪制等功率圓與等效率圓，當(dāng)前后兩次得到的最佳阻抗點(diǎn)ZS和ZL相等為止［2-4］。分別選取頻率2.7 GHz，2.9 GHz，3.1 GHz，3.3 GHz和3.5 GHz 5個點(diǎn)進(jìn)行全面分析。在仿真過程中，由于所得輸出功率已經(jīng)足夠大，因而選取效率最高的點(diǎn)，分析結(jié)果如表1所示。

表1 晶體管最佳阻抗點(diǎn)

由表1可以看出，在這800 MHz頻段范圍內(nèi)源阻抗ZS非常接近，負(fù)載阻抗ZL差距也不大，這里選取ZS=2.9+j8.4，ZL=17.0+j13.5作為試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行下一項(xiàng)分析。

1.3.2 匹配網(wǎng)絡(luò)

為了實(shí)現(xiàn)晶體管放大器的寬頻帶、高效率和高增益，應(yīng)盡可能將匹配網(wǎng)絡(luò)靠近有源器件的輸入端。將匹配網(wǎng)絡(luò)置于功率管殼內(nèi)，可以將器件性能最大化［5］。

匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)質(zhì)就是完成阻抗變換，將現(xiàn)有阻抗值轉(zhuǎn)換為所需阻抗值(研究中即為50Ω)。其作用就是實(shí)現(xiàn)信號的完美傳輸，所謂完美傳輸，即減小傳輸損耗、降低噪聲干擾和提高頻率響應(yīng)線性度等［6］。

由于在管殼內(nèi)實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)，所以必須要考慮管殼的寄生參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)的影響。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得管殼S參數(shù)，將S參數(shù)以S2P格式導(dǎo)入ADS，進(jìn)行擬合分析并建立模型如圖3所示。

圖3 管殼LRC擬合模型

對表1最佳阻抗點(diǎn)取共軛即為晶體管的輸入阻抗Zin和輸出阻抗Zout。輸入阻抗非常接近，這里取Zin=ZS

*=2.9-j8.4，輸出阻抗取實(shí)部的最大最小中間值和虛部的最大最小中間值Zout=ZL*=17.0-j13.5，再進(jìn)行輸入、輸出匹配的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，利用T型匹配網(wǎng)絡(luò)均匹配至50Ω標(biāo)準(zhǔn)。

晶體管輸出阻抗較大，很容易將其匹配至50 Ω，這里不多做敘述。

輸入阻抗Zin=2.9-j×8.4較小，匹配至50Ω，通過Smith阻抗原圖可以看出，或由經(jīng)驗(yàn)式(1)得出，節(jié)點(diǎn)品質(zhì)因數(shù)Qn較大，約為4;接著通過Qn與有載品質(zhì)因數(shù)Qe的關(guān)系式(2)得出Qe為2;最后通過3 dB帶寬的式(3)得出3 dB帶寬(WB)可以達(dá)到1.55 GHz;寬帶匹配的帶寬相對較小，根據(jù)現(xiàn)2.7 GHz～3.5 GHz 800 MHz帶寬帶內(nèi)平坦度應(yīng)保持在1 dB以內(nèi)，理論上可以達(dá)到。

具體為:分別由GaN晶體管上柵極和漏極作鍵合線(鍵合線為金絲，作為電感)至電容上，電容接地，再由電容作鍵合線至隔直電容上，形成輸入和輸出T型匹配。

由于管殼寄生參數(shù)對匹配網(wǎng)絡(luò)具有一定影響，還需要進(jìn)行實(shí)際測試確定結(jié)論。

1.3.3 偏置網(wǎng)絡(luò)

一個偏置網(wǎng)絡(luò)由一個直流電源模塊和射頻扼流圈共同組成。射頻扼流圈在工作頻段內(nèi)具有很高的阻抗，其作用顧名思義，阻止射頻信號通過偏置網(wǎng)絡(luò)泄漏，使信號通過GaN FET晶體管放大的輸出信號不受損耗，從而使器件的漏極效率得以保證。

根據(jù)已知的終端有載傳輸線輸入阻抗的最終形式如式(4)所示［6］，

將該傳輸線以短路形式，即ZL=0時，式(4)可簡化為:

當(dāng)d=λ/4時(用λ表示波長)，阻抗趨于無窮大。因此常以λ/4高阻抗線作為射頻扼流圈。

在Agilent ADS軟件中，由于λ/4高阻抗線和其他電路元件基板材料不同，必須對λ/4線進(jìn)行Momentum仿真［7］。圖4為所設(shè)計(jì)的λ/4高阻抗線原理圖。其中，基底材料選用氧化鋁陶瓷，其介電常數(shù)為9.7，厚度為0.381mm。圖5則為通過Momentum仿真得到高阻抗線后設(shè)計(jì)的偏置電路。

圖4 柵極(左)和漏極(右)λ/4高阻抗線

柵極和漏極偏置電路仿真結(jié)果為諧振點(diǎn)均在3.1 GHz處，且實(shí)阻抗分別達(dá)到5 800Ω和3 300Ω，近似開路，符合要求。為防止低頻振蕩，在柵極偏置電路串聯(lián)一個較小的約10Ω的電阻［8］。

1.4 總電路和穩(wěn)定性分析

在實(shí)際的貼片當(dāng)中，需將晶體管的源極接地。由于源極與晶體管芯片背面金屬相通，因此通過共晶焊工藝使源極與管殼相連。由此造成了地寄生傳導(dǎo)電感的存在，通常將此電感取為10 pH［9］。

這里特別說明，輸入端和輸出端的匹配電容(C5和C6)在匹配網(wǎng)絡(luò)中非常重要，在調(diào)試當(dāng)中只能小范圍內(nèi)變動，所以在調(diào)諧過程中未作變動。在實(shí)際調(diào)試中，由于作為電感的鍵合線為金絲，通過調(diào)整金絲的拱高和根數(shù)等因素來改變電感是很容易的，所以主要對電感進(jìn)行調(diào)諧。根據(jù)前文所述管殼寄生電感和地寄生傳導(dǎo)電感，通過優(yōu)化調(diào)諧，最后確定仿真總電路如圖6所示。

圖5 柵極(左)和漏極(右)偏置電路

圖6 仿真總電路

利用晶體管放大器設(shè)計(jì)微波功率器件時必須要考慮到穩(wěn)定性，器件不穩(wěn)定會導(dǎo)致振蕩，輸出信號達(dá)不到器件，所以進(jìn)行穩(wěn)定性分析很有必要［10-11］。我們一般用穩(wěn)定系數(shù)K來衡量一個器件的穩(wěn)定性，穩(wěn)定系數(shù)K用式(6)和式(7)來表示。

通過圖7可以看出，在器件工作頻段內(nèi)，穩(wěn)定系數(shù)K大于1，器件為無條件穩(wěn)定。

圖7 器件穩(wěn)定系數(shù)隨頻率變化曲線

2 測試結(jié)果

微波功率器件實(shí)物如圖8所示，測試夾具實(shí)物圖如圖9所示。

本論文對該器件設(shè)計(jì)主要的用途是國產(chǎn)軍用雷達(dá)收發(fā)機(jī)功放模塊，所以測試輸入信號采用脈沖信號，脈沖寬度為1 ms，信號周期為10 ms，占空比D為10%。測試條件是:漏極電壓VDS=32 V，柵極電壓VGS=-3.1 V。表2為頻率為2.7 GHz～3.5 GHz時的測試數(shù)據(jù)。其中器件漏極效率(ηD)表達(dá)式如式(6)所示:

圖8 微波功率器件實(shí)物圖

由測試結(jié)果可知:在2.7 GHz～3.5 GHz頻段內(nèi)，輸入功率達(dá)到29 dBm即0.8W時，達(dá)到飽和狀態(tài)，輸出功率高于16 W，增益在13 dB以上，漏極效率高于45%。增益平坦度低至0.6 dB。該器件滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖9 測試夾具實(shí)物圖

表2 微波功率器件測試數(shù)據(jù)

3結(jié)論

根據(jù)CREE公司提供的GaN晶體管芯片大信號模型測試得到的晶體管特性確定靜態(tài)工作點(diǎn)，通過負(fù)載牽引原理得到晶體管阻抗參數(shù)，確定匹配電路，最后采用四分之波長傳輸線作為高阻抗線作為偏置網(wǎng)絡(luò)最重要一環(huán)，成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款S波段基于GaN的微波功率器件。試驗(yàn)測試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的器件在2.7 GHz～3.5 GHz內(nèi)輸出功率大于15W，增益大于13 dB，漏極效率在45%以上，成功在管殼內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了匹配和偏置電路。同時也證實(shí)了寬禁帶材料GaN器件小型化、超寬帶、高增益以及高效率的特點(diǎn)。

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周澤倫(1991-)，男，陜西扶風(fēng)人，在讀研究生，主要從事射頻微波電路與系統(tǒng)的研究，jason_patrick@126.com;

多新中(1974-)，男，碩士，主要從事射頻微波電路與系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，duoxinzhong@hotmail.com;

王棟(1977-)，男，研究員，主要從事頻率綜合器和接收機(jī)的研究與設(shè)計(jì)，wdlym@sina.com。

Development of S-Band M icrowave Power Devices Using GaN HEM Ts*

ZHOU Zelun，DUO Xinzhong，WANG Dong*

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute，Xi’an 710100，China)

The features and ascendancy of the new semiconductormaterials of third generation are briefly introduced and the design and implementation of a kind of S-band microwave power device accomplished using GaN HEMTS with ultra-wideband and high-efficiency based on microwave simulation software Agilent ADS.The test results show that this device works at both continuous wave and pulse signalmode in the range of 2.7 GHz～3.5 GHz.The saturated output power is over 15W，gain over 13 dB and drain efficiency over 45%.In addition，thematching and bias circuits are placed in the device.It verifies and implements theminiaturization，ultra-wideband，high gain and high-efficiency of GaN MOSFETmicrowave power devices.

GaN;microwave power devices;ADS;ultra-wideband;high-efficiency

C:1320

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.006

TN957.3

:A

:1005－9490(2017)01－0027－06

項(xiàng)目來源:江蘇博普電子科技有限責(zé)任公司項(xiàng)目

2016-01-04修改日期:2016-02-01