賀 瑾,鐘世昌,朱 杰,張洪超

(南京電子器件研究所,南京 210016)

0 引言

氮化鎵(gallium nitride,GaN)材料作為第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為新一代功率器件的重要原材料,其功率器件的研制工作已成為當(dāng)前熱點(diǎn)。GaN材料的先天優(yōu)勢(shì)能幫助功率器件滿足高溫、高頻、大功率和高可靠等一系列應(yīng)用要求,在衛(wèi)星通信、雷達(dá)以及導(dǎo)彈等軍民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。為了應(yīng)對(duì)更低成本、更小尺寸和更小功耗的應(yīng)用需求,確保功放在宇航用等嚴(yán)苛條件下的可靠性,實(shí)現(xiàn)功率器件高效率和小型化非常重要。傳統(tǒng)提高功率放大器效率的方法是通過減小導(dǎo)通角,功率放大器的工作狀態(tài)從A類過渡到C類,開關(guān)類功放D類、E類和諧波控制類功放F類、J類、連續(xù)型F類也能實(shí)現(xiàn)輸出功率和效率的兼顧[5-8]。

文中的功放載片采用南京電子器件研究所研制的0.25 μm工藝SiC襯底的GaN管芯,使用有源時(shí)域負(fù)載牽引系統(tǒng)對(duì)GaN管芯進(jìn)行在片測試并提取管芯的非線性行為模型,再利用該模型設(shè)計(jì)了一款L波段載片式功率放大器。在28 V工作電壓下,100 us脈寬、10%占空比的脈沖輸入下,該功放在1.2～1.4 GHz頻段內(nèi),輸出功率大于56 W,功率增益大于28 dB,附加效率大于78%,在8 mm×8 mm×1.2 mm尺寸上實(shí)現(xiàn)了較好的電路性能。

1 GaN管芯的選取

合適的功率管芯的選擇和鏈路增益分配是確保功放最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能的關(guān)鍵,按照增益和輸出功率指標(biāo)的要求。該功放鏈路使用兩級(jí)功放來實(shí)現(xiàn),每一級(jí)輸入輸出均匹配到50 Ω,能夠更有效地對(duì)單級(jí)性能進(jìn)行調(diào)試,鏈路框圖如圖1所示。

圖1 功率放大器鏈路框圖

已知L波段28 V漏壓工藝的GaN管芯的輸出功率密度約為3.5 W/mm,為了實(shí)現(xiàn)鏈路28 dB功率增益,第一級(jí)功放輸出1 W的功率至少需要0.4 mm柵寬的GaN管芯;第二級(jí)功放輸出50 W的功率至少需要16 mm柵寬的GaN管芯。圖2和圖3給出了0.4 mm柵寬和16 mm柵寬的GaN功率管芯的外形版圖。

圖2 0.4 mm柵寬GaN高電子遷移率晶體管芯片正面圖

圖3 16 mm柵寬GaN高電子遷移率晶體管芯片正面圖

該功率放大器的工作電壓是28 V,管芯的直流篩選按照1 mA/mm,漏源擊穿電壓大于150 V。通過仿真得到第二級(jí)管芯正常工作時(shí)漏極的電壓擺幅,如圖4所示。放大器的最高擺幅電壓約為75.9 V,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管芯的擊穿電壓,大大提高了功放的可靠性。

圖4 漏極電壓擺幅曲線

2 功率放大器的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 諧波控制技術(shù)

F類功率放大器是在過驅(qū)動(dòng)B類功放的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,通過對(duì)過驅(qū)動(dòng)B類功放的漏極輸出電壓電流的數(shù)學(xué)上的改變,構(gòu)造出理論效率為100%的F類功放的漏極輸出電壓電流波形,從而進(jìn)一步推出相應(yīng)各次諧波對(duì)應(yīng)的阻抗條件。根據(jù)F類功率放大器的工作原理,其漏極輸出電壓為方波,電流為半正弦波,偶次諧波阻抗為短路狀態(tài),奇次諧波阻抗為開路狀態(tài);逆F類功率放大器則與之相反。諧波控制技術(shù)常被用于輸出匹配電路中,但實(shí)際上功放的輸入諧波成分是決定輸出波形的關(guān)鍵因素,所以控制輸入諧波阻抗也很有必要[9]。

2.2 匹配電路的設(shè)計(jì)與仿真

基于多諧波失真模型原理,分別提取了兩款管芯的非線性行為模型,針對(duì)兩款管芯的最佳效率阻抗點(diǎn)進(jìn)行阻抗匹配電路設(shè)計(jì)。管芯最佳效率點(diǎn)的LOAD-PULL結(jié)果如表1、表2所列。在僅對(duì)基波進(jìn)行負(fù)載牽引的情況下,末級(jí)管芯的最高附加效率可達(dá)到74%,再通過諧波控制電路,電路效率能得到進(jìn)一步提升。

表1 0.4 mm柵寬功率管阻抗特性

表2 16 mm柵寬功率管阻抗特性

為了實(shí)現(xiàn)匹配電路的簡化以及減小電路尺寸,兩級(jí)功率放大器的輸入輸出匹配電路均采用LC單級(jí)低通濾波網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。結(jié)合性能需求和布局排版考慮,在第二級(jí)放大電路的輸入匹配中通過LC串聯(lián)諧振電路引入二次諧波短路點(diǎn),漏極偏置使用λ/4線引入二次諧波短路點(diǎn),達(dá)到控制二次諧波提高鏈路效率的目的。整個(gè)匹配電路制造在介電常數(shù)為9.9和85的兩種氧化鋁陶瓷基板上來降低匹配損耗,圖5為L波段功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)原理圖。

圖5 功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)示意圖

直流偏置的選取也是功放設(shè)計(jì)的重要組成部分,且對(duì)諧波分量的產(chǎn)生也有重要影響。對(duì)于F類和逆F類功率放大器的設(shè)計(jì),需要把晶體管偏置在AB類[10]。圖6為16 mm管芯的I-V特性仿真曲線,當(dāng)漏極偏置電壓為28 V時(shí),使柵極偏置電壓在-2.5 V,此時(shí)管芯靜態(tài)電流約為166 mA。

圖6 16 mm柵寬功率管I-V特性曲線

基于模型在ADS中進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真,得到第二級(jí)輸入匹配電路中增加二次諧波控制電路與不加二次諧波控制電路的功率效率結(jié)果對(duì)比如圖7所示。在28 V的工作電壓下,1.2～1.4 GHz頻帶內(nèi),載片放大器仿真輸出功率達(dá)到57 W,增益超過28 dB,同時(shí)附加效率達(dá)到79%。若去掉第二級(jí)放大器柵極的諧波控制電路(調(diào)諧使其諧振在1.2 GHz的頻點(diǎn)附近),鏈路附加效率減小了4%。

圖7 放大器加諧波控制與不加諧波控制的仿真結(jié)果對(duì)比

3 功放的測試

根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)物制作,圖8是L波段GaN功率放大器的正面照片圖,功率管及其匹配電路和偏置電路緊湊地通過高溫?zé)Y(jié)在8 mm×8 mm×1.2 mm尺寸的載體上,載體材料為鍍金鎳的鉬銅,金錫燒結(jié)溫度為280 ℃。

圖8 L波段功放載片實(shí)物圖面圖

圖9是放大器在28 V的工作電壓,100 us脈寬、10%占空比條件下,1.2～1.4 GHz頻帶內(nèi)載片模型仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果可以看出,實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,功放載片在輸入功率為19 dBm時(shí),輸出功率達(dá)到56 W,增益超過28 dB,同時(shí)附加效率達(dá)到78%。

圖9 功率放大器微波特性仿真與實(shí)測對(duì)比圖

氮化鎵微波功率器件雖然具有高功率、高效率等優(yōu)點(diǎn),但由于氮化鎵管芯功率密度較高,如果不能保證良好的散熱,很容易導(dǎo)致芯片熱燒毀[11]。管芯結(jié)溫,即熱阻參數(shù)是反映功率器件可靠性的重要指標(biāo)。圖10是本文實(shí)現(xiàn)的高效率載片在1.3 GHz處的瞬態(tài)紅外測試結(jié)果,從圖中可以看出,管芯脈內(nèi)最高結(jié)溫為84.2 ℃,載體約為72 ℃,溫升僅12.2 ℃,結(jié)合熱耗可以計(jì)算出,管芯熱阻約為0.72 ℃/W。如若考慮到宇航應(yīng)用要求,按照衛(wèi)星實(shí)際工作的最高溫度55 ℃,器件的最高結(jié)溫約為67.2 ℃,滿足一級(jí)降額要求,能夠滿足宇航應(yīng)用要求。

圖10 功率管瞬態(tài)結(jié)溫曲線

表3是近年來國內(nèi)外研制的相近頻段高效率功率器件的性能指標(biāo)對(duì)比,可以看出,本文實(shí)現(xiàn)的高效率功率載片性能優(yōu)異。

表3 L波段功率放大器性能對(duì)比

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款高性能的L波段GaN微波功率放大器。通過負(fù)載牽引系統(tǒng)對(duì)管芯進(jìn)行在片測試,提取出了管芯的非線性行為模型,基于模型精準(zhǔn)設(shè)計(jì)了功放鏈路的輸入、級(jí)間和輸出匹配電路。該載片使用多次諧波控制電路對(duì)功放波形進(jìn)行整形,有效地將功放鏈路附加效率比常規(guī)功放提高了6%～8%;采用高介電常數(shù)陶瓷材料和簡單緊湊的匹配電路結(jié)構(gòu),將功放鏈路尺寸控制在8 mm×8 mm。在28 V工作漏壓、100us脈寬、10%占空比條件下,載片功率放大器在1.2～1.4 GHz頻帶內(nèi)輸出功率均超56 W,增益大于28 dB,功率附加效率大于78%,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的微波性能。