趙弘毅 張丹 封維忠 王鑫鈺

摘 要：采用Cree公司提供的CGH40010F GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）作為有源器件，設(shè)計(jì)了一款工作在2.2 GHz的射頻功率放大器。利用ADS軟件對(duì)功率管的偏置電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的仿真，利用階躍式匹配方法擴(kuò)展了帶寬，通過(guò)對(duì)功率管寄生參數(shù)的仿真，有效地提高了功率附加效率（PAE）。仿真結(jié)果表明，在2.1 GHz～2.3 GHz的頻率范圍內(nèi)，小信號(hào)S21增益為12.03 dB～12.77 dB，大信號(hào)輸出功率為40.17 dBm，功率附加效率達(dá)到61.3%。達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

關(guān)鍵詞：功率放大器;GaN高電子遷移率晶體管;高效率;寄生參數(shù)仿真;階躍式匹配

Abstract：CGH40010F GaN high electron mobility transistor（HEMT） provided by Cree company is used as active device， and a RF power amplifier working at 2.2 GHz is designed. ADS software is used to design and simulate the bias circuit of power tube.The bandwidth is expanded by using the step matching method and the parasitic parameters of power tube are simulated to effectively improve the power added efficiency （PAE）. Simulation results show that in the frequency range of 2.1 GHz～2.3 GHz， the gain of small signal S21 is 12.03 dB～12.77 dB， the output power of large signal is 40.17 dBm， and the power added efficiency reaches 61.3% which meet the requirements of design indicators.

Key words：power amplifier; GaN high electron mobility transistor; high efficiency; parasitic parameter simulation; step matching method

射頻功率放大器是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的核心部件，廣泛地運(yùn)用于雷達(dá)、衛(wèi)星通信及電子對(duì)抗中[1，2]。近些年來(lái)，隨著5G通信的發(fā)展，低能耗、高效率、高輸出功率、寬頻帶和小型化成為新一代無(wú)線通信收發(fā)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[3]。我國(guó)進(jìn)入5G商用元年以來(lái)，頻譜資源日益緊張，這也觸發(fā)了人們對(duì)于高輸出功率、高效率的射頻功率放大器的需求[4，5]。

第三代半導(dǎo)體材料以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等材料為代表，其中GaN是一種具有較大禁帶寬度的新型材料[6]。和前兩代半導(dǎo)體材料相比，GaN材料的大禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)讓它在新時(shí)代微波器件的使用中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體的禁帶寬度與晶格原子之間的化學(xué)鍵強(qiáng)度有關(guān)，更強(qiáng)的化學(xué)鍵意味著電子很難從一個(gè)位置跳躍至下一個(gè)位置。所以，比起一、二代半導(dǎo)體材料如Si、GaAs等，GaN具有更低的本征泄漏電流和較高的工作溫度[7]。

基于氮化鎵材料制成的高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）是近年來(lái)射頻功放器件中最為常用的選擇。其中AlGaN間隔層中很大的禁帶寬度限制了電子的運(yùn)動(dòng)，形成了能夠從源極向漏極運(yùn)動(dòng)的高密度二維電子氣（2DEG）[8]。相比于其他類型的功率管，具有高功率密度、高效率、寬帶等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于軍用、民用無(wú)線通信系統(tǒng)中[9]。

針對(duì)無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)中高效率、大功率的要求，采用Cree公司提供的GaN HEMT功率晶體管CGH40010F， 設(shè)計(jì)了一款工作在S波段，帶寬可達(dá)200 MHz的射頻功率放大器。主要進(jìn)行了靜態(tài)工作點(diǎn)及偏置的仿真、穩(wěn)定性系數(shù)的檢測(cè)，搭建晶體管寄生參數(shù)仿真模型并利用ADS對(duì)晶體管進(jìn)行負(fù)載/源牽引技術(shù)，最終得到可以實(shí)現(xiàn)高效率的最優(yōu)負(fù)載阻抗與源阻抗，通過(guò)階躍式匹配進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。總體目標(biāo)為：放大器工作在2.2 GHz頻段，輸出功率不小于10 W（40 dBm），功率附加效率（PAE）大于60%，小信號(hào)增益大于10 dB。

1 基板選擇

由于放大器偏置與匹配電路的設(shè)計(jì)中使用了微帶線結(jié)構(gòu)，而微帶線的性能與基板厚度、相對(duì)介電常數(shù)、損耗角正切等因素有關(guān)，故綜合考慮各項(xiàng)因素，采用Rogers 4350B高頻板作為介質(zhì)基板，其參數(shù)如表1所示。

2 放大電路設(shè)計(jì)

2.1 靜態(tài)工作點(diǎn)的選取

射頻功率放大器中靜態(tài)工作點(diǎn)的選取決定了功率管的工作狀態(tài)，不同的工作點(diǎn)使得功放具有不同的特性，因此選擇合適的工作點(diǎn)成為設(shè)計(jì)功放電路的關(guān)鍵一環(huán)。根據(jù)如圖1（a）所示的I-V曲線以及圖1（b）所示的晶體管輸出特性曲線，選取漏極電壓VDS=28 V，柵極電壓VGS=-2.7 V作為直流偏置點(diǎn)。

2.2 偏置電路的設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性檢測(cè)

偏置電路設(shè)計(jì)的好壞影響著整個(gè)電路的穩(wěn)定性，為了防止功率反射回入射端，造成功放電路出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，一般會(huì)采用λ/4長(zhǎng)度的微帶線將電路的直流部分和射頻部分進(jìn)行隔離[10]，根據(jù)式（1），此時(shí)從信號(hào)源輸入端向直流電源看去，輸出阻抗為無(wú)窮大，從而讓射頻信號(hào)與直流信號(hào)互不干預(yù)。

柵極偏置電路如圖2（a）所示，仿真結(jié)果如圖2（b）所示：在2.1 GHz～2.3 GHz頻段內(nèi)，S21十分接近0，S31均小于-50 dB，表明在柵極偏置電路中，直流信號(hào)幾乎無(wú)泄露，且與射頻輸入信號(hào)隔離度較好，符合偏置設(shè)計(jì)的要求。

2.3 含寄生參數(shù)的晶體管建模仿真

由于本文使用的CGH40010F GaN HEMT屬于非線性有源器件，隨著晶體管工作頻率的增加，晶體管的寄生參數(shù)引起的諧波效應(yīng)會(huì)大大惡化輸出功率及附加效率。在S波段，晶體管寄生參數(shù)主要由漏極輸出電容Cds、寄生電感Ld和封裝引入的外部寄生電容Cp構(gòu)成，因此本文建立了如圖5所示的晶體管模型。

使用負(fù)載、源牽引技術(shù)求得晶體管在2.2 GHz的工作頻率下最佳負(fù)載、源阻抗如表2所示。

2.4 匹配電路的設(shè)計(jì)

匹配電路的設(shè)計(jì)直接影響放大器的工作特性，常見的匹配方式有分布式、多枝節(jié)匹配、階躍式匹配等方式[11]。其中多枝節(jié)匹配與階躍式匹配的原理相同，都是通過(guò)降低Q值達(dá)到擴(kuò)展帶寬的目的。但相較于階躍式匹配，多枝節(jié)匹配缺點(diǎn)是增加版圖面積，各枝節(jié)電磁耦合嚴(yán)重，在實(shí)際應(yīng)用中往往不可忽視。

階躍式匹配是將多端微帶線串聯(lián)，進(jìn)行路徑優(yōu)化，盡可能降低電路Q值從而達(dá)到寬帶匹配的目的的一種匹配方案。以輸出匹配為例，將Term1端口匹配至Term2端口，為了實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，則1端口的阻抗為最佳負(fù)載阻抗的共軛，即（10.603-j14.062） Ω。使用傳統(tǒng)多枝節(jié)阻抗匹配方法如圖6（a）所示，史密斯圓圖中與直徑兩端相連的弧線為等品質(zhì)因數(shù)弧線，Q值為1.8。使用階躍式匹配方法如圖6（b）所示，Q值為1.3，既降低了Q值拓展了帶寬，又有效地縮小電路板的面積，符合設(shè)計(jì)要求。

2.5 射頻功率放大器整體設(shè)計(jì)

將電路的偏置部分與含有寄生參數(shù)的晶體管模型搭建好，在輸入輸出端分別采用階躍式阻抗匹配方法，得到如圖7所示的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

功放整體仿真結(jié)果如圖8-10所示，在2.1 GHz～2.3 GHz頻段內(nèi)，回波損耗均小于11 dB，表明反射回輸入端的功率很小，達(dá)到一般設(shè)計(jì)所要求小于-10 dB的標(biāo)準(zhǔn)。功率增益范圍在12.025 dB～12.765 dB之間，輸入功率為30 dBm時(shí)，輸出功率超過(guò)40.167 dBm，功率附加效率達(dá)到61.3%。

3 結(jié) 論

采用CGH40010F晶體管設(shè)計(jì)了一款適用于2.2 GHz的功率放大器，采用階躍式匹配方法，對(duì)含寄生參數(shù)模型的晶體管電路進(jìn)行了小信號(hào)及大信號(hào)的仿真。在200 MHz的帶寬內(nèi)輸出功率大于于10 W，功率附加效率大于60%，小信號(hào)增益大于10 dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)初的目標(biāo)，符合當(dāng)今5G無(wú)線通信系統(tǒng)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] ANERA S M H S， HUSSEINI T， ALSAHALI S， et al. High-efficiency broadband pa design based on continuous class-f mode with compression[C]. 2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium， 2018：698-701.

[2] LATHA Y M A， RAWAT K， ROBLIN P. Nonlinear embedding model-based continuous class E/F power amplifier[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2019， 29（11）：714-717.

[3] DHAR S K， SHARMA T， DARRAJI R， et al. Input-harmonic-controlled broadband continuous class-F power amplifiers for sub-6-GHz 5G applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2020， 68（7）：3120-3133.

[4] 馬亮. 毫米波寬帶射頻系統(tǒng)及寬帶高效率功率放大器的研究[D]. 南京： 東南大學(xué)，2016：5.

[5] 朱守奎. 高效率GaN HEMT F類/逆F類功率放大器研究和設(shè)計(jì)[D]. 天津： 天津大學(xué)，2017：5.

[6] 徐雷. 應(yīng)用于通信基站的F類功率放大器研究[D]. 杭州： 杭州電子科技大學(xué)， 2019.

[7] 丁瑤. 高效率射頻功率放大器的研究[D]. 合肥： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2012.

[8] HUANG Hang， YU Cui-ping， WU Yong-le， et al. The concurrent inverse class-F mode for concurrent dual-band RF power amplifiers[C]. 2019 IEEE MTT-S International Wireless Symposium， 2019.

[9] GILASGAR M， BARLABE A， PRADELL L. High-efficiency reconfigurable dual-band class-F power amplifier with harmonic control network using MEMS[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2020， 30（7）：677-680.

[10]YANG Zhen-xing， YAO Yao， LI Ming-yu， et al. A precise harmonic control technique for high efficiency concurrent dual-band continuous is class-f power amplifier[J]. IEEE ACCESS， 2018，（6）：51864-51874.

[11]游冠雄. 面向5G通信的寬帶GaN MMIC功率放大器研究[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2020.