摘 要： 氮化鎵功率管的寬帶隙、高擊穿電場等特點， 使其具有帶寬寬， 高效特性等優(yōu)點。為了研究GaN 功率放大器的特點， 使用了Ag ilent ADS 等仿真軟件， 進行電路仿真設(shè)計， 設(shè)計制作了一種S 波段寬帶GaN 功率放大器。詳述了電路仿真過程， 并對設(shè)計的寬帶GaN 功率放大器進行測試， 通過測試的實驗數(shù)據(jù)表明， 設(shè)計的寬帶放大器在S 波段寬帶內(nèi)可實現(xiàn)功率超過44 dBm 的功率輸出， 驗證了GaN 功率放大器具有寬帶的特點。

　　新一代半導體功率器件主要有SiC 場效應晶體管和GaN 高電子遷移率晶體管。有別于代的Si 雙極型功率晶體管和第二代GaAs 場效晶體管， 新一代SiC 和GaN 半導體材料具有寬禁帶、高擊穿場強、高功率密度以及抗輻射能力強等優(yōu)點， 理論上特別適合應用于高頻、高功率、抗輻射的功率器件的場合。由于具備這些優(yōu)點， 寬禁帶半導體功率器件可以明顯提高電子信息系統(tǒng)的性能， 廣泛應用于雷達、通信、戰(zhàn)斗機、海洋勘探等重要領(lǐng)域。本文使用Agilent ADS 仿真軟件設(shè)計實現(xiàn)一款GaN 寬帶功率放大器， 并對放大器進行了詳細測試， 驗證了放大器在S 波段2 GHz 帶寬內(nèi)的寬帶性能。

　　1  設(shè)計目標

　　設(shè)計一款S 波段寬帶放大器， 滿足如下指標：

　　工作頻率： S 波段；

　　工作帶寬： ± 1 000 MHz;

　　輸出功率：≥ 44 dBm;

　　效率： ≥30%。

　　2  寬帶放大器設(shè)計

　　2. 1  功率器材的選擇

　　為了在S 波段2 GHz 帶寬內(nèi)輸出25 W 的功率， 對射頻功率管有一定的要求： 例如低的輸出寄生電容、導通電阻等。常用的硅雙極管由于單管胞輸出功率有限，在高輸出功率下， 多管胞合成后的特性不能滿足寬帶設(shè)計要求。因此， 具有較高功率密度、低導通電阻、低寄生電容、高輸出阻抗的寬禁帶器件是實現(xiàn)該設(shè)計的。

　　基于GaN 器件的寬帶功率放大器， 國外公開的報道已經(jīng)完成了三代基于管芯的寬帶功放研制。代功率放大器采用改進的行波放大器結(jié)構(gòu)， 帶寬為1 ~8 GHz, 小信號增益為7 dB, V ds = 18 V 時輸出功率3. 6 W; 第二代功率放大器采用LCR 匹配， 并使用2 個Wilkinson 合成器實現(xiàn)4 路合成， 帶寬3~ 10 GHz, 小信號增益是7 dB, 在8 GH z 處輸出功率可達8. 5 W, 功率附加效率達到20% ; 第三代功率放大器采用改進的2 ×2矩陣行波功率放大器結(jié)構(gòu)， 帶寬1 ~6 GHz, 輸出功率7. 5 W, 功率附加效率達到25%。

　　然而由于寬禁帶固態(tài)器件目前還處于迅速發(fā)展階段， 且在軍事及航空航天領(lǐng)域的應用潛力， 導致高頻、大功率、管芯等器件還處于禁運狀態(tài)， 因此該設(shè)計使用的寬禁帶功率管為允許對國內(nèi)銷售的貨架產(chǎn)品。經(jīng)綜合比較， 選定的器件指標如表1 所示。

表1  寬禁帶功率器件指標

　　2. 2  ADS 射頻仿真

　　經(jīng)典的寬帶匹配理論由H · W  ·Bode 發(fā)表于1945 年， 他應用環(huán)路積分的方法對RC 并聯(lián)負載計算了匹配網(wǎng)絡的增益帶寬積， 證明其小于等于一個常數(shù)。

　　其后R·  M · Fano , D · C · Youla 等人進一步發(fā)展了寬帶匹配理論。然而， 在工程應用設(shè)計中， 設(shè)計一個寬帶功率放大器， 需要在寬帶匹配理論的基礎(chǔ)上， 兼顧其拓撲結(jié)構(gòu)、寬帶匹配網(wǎng)絡和寬帶偏置網(wǎng)絡等； 因此， 該設(shè)計將基于功率匹配的概念， 利用大信號下的輸入/ 輸出阻抗、的非線性模型、諧波平衡仿真、負載牽引仿真設(shè)計等， 實現(xiàn)目標頻段的射頻性能。

　　在仿真設(shè)計過程中， 單節(jié)拓撲結(jié)構(gòu)電路因其本身Q值較高， 匹配的頻率范圍窄， 只有在窄頻范圍內(nèi)匹配較好， 不能用于寬帶匹配。因此， 只能利用結(jié)構(gòu)復雜的多節(jié)拓撲結(jié)構(gòu)電路進行匹配， 并利用負反饋技術(shù)提高穩(wěn)定性和拓展帶寬。多節(jié)匹配電路的特點相對于單節(jié)電路結(jié)構(gòu)復雜， 占用幾何空間大， 可控變量多， 仿真分析需要更多時間， 但其優(yōu)點是能夠在更寬的帶寬中尋求更好的匹配設(shè)計。

　　在多支節(jié)匹配網(wǎng)絡中， 輸入端各有多段微帶線， 每個微帶線有長度和寬度兩個變量， 這樣在輸入端和輸出端都有多個可控變量， 進行ADS 優(yōu)化仿真設(shè)計。在阻抗匹配電路的設(shè)計時， 實際上是通過共軛匹配將要匹配的器件的端口逐漸匹配到50  的特性阻抗上。又因為一般器件的輸入/ 輸出阻抗在射頻頻段內(nèi)是隨著頻率的變化而變化的， 所以在用分布參數(shù)進行電路匹配時， 不可能在所要求的頻段內(nèi)達到完全的匹配， 在寬帶要求的情況下， 更加難以實現(xiàn)。

　　因此， 只能采用一些拓撲結(jié)構(gòu)形式， 設(shè)計出符合指標的匹配電路， 才可以將輸入/ 輸出阻抗匹配到50  的特性阻抗上。

　　構(gòu)建的匹配電路仿真模型如圖1 所示。

圖1  ADS 仿真電路圖

　　在電路的仿真設(shè)計中， 對功率管進行靜態(tài)工作點設(shè)置、穩(wěn)定性分析后， 利用負載牽引仿真， 確定輸出阻抗，再利用原牽引仿真確定輸入阻抗。在兼顧功率及效率的情況下， 考慮實際饋電電路的影響后， 對設(shè)計好的寬帶匹配電路進行大信號S 參數(shù)、諧波平衡等仿真優(yōu)化。

　　通過仿真優(yōu)化， 在S 波段2 GH z 帶寬頻帶范圍內(nèi)（ f 1 ~f 9 ） , 仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2  功率管匹配電路仿真增益曲線

　　功率管的頻率點F9 附近容性特征比較明顯，從仿真圖也可以看出， 在高頻率點F9 附近的增益較小。在增加帶寬的情況下， 損失了一部分的增益和效率。

　　2. 3  制作匹配微帶版圖

　　根據(jù)仿真結(jié)果， 該放大器的匹配電路版圖， 如圖3所示。

圖3 功率管匹配電路微帶圖

　　2. 4  寬帶放大器測試

　　設(shè)計的寬帶放大器在S 波段2 GHz 帶寬內(nèi)的功率輸出大于44 dBm, 增益大于7. 2 dB, 帶內(nèi)增益起伏為1. 4 dB, 達到設(shè)計目標。測試結(jié)果如表2 所示。

　　此寬帶放大器在確保散熱良好的情況下， 具有連續(xù)波工作能力。脈寬300 s 占空比20% 。寬帶放大器實物圖如圖4 所示， 儀表測試如圖5 所示。

圖4  寬帶放大器實物圖

圖5  儀表測試

表2  制作放大器的實驗結(jié)果

　　3  結(jié) 語

　　本文對寬帶放大器進行了計算機模擬仿真， 詳述了電路仿真過程， 并對設(shè)計的放大器電路進行測試。實驗數(shù)據(jù)表明設(shè)計的放大器在S 波段2 GHz 帶寬內(nèi)可實現(xiàn)功率超過44 dBm 的輸出， 驗證了GaN 功率放大器的寬帶特性。給出了可用于實際設(shè)計的方法， 對寬帶放大器設(shè)計實踐工作具有一定的幫助。