X波段GaN基微波功率放大器的設(shè)計(jì)

引言

隨著無(wú)線通訊技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，作為其重要部件的功率放大器的需求也日益增多，頻率更高和功率更大的器件已成為目前各國(guó)研究的主要熱點(diǎn)之一。GaN材料是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表，其禁帶寬度大、耐高壓、耐高溫、抗輻射，非常適合制備高頻、高壓、高溫、大功率、抗輻射的新一代微波功率器件和電路。與傳統(tǒng)的第一代半導(dǎo)體Si和第二代半導(dǎo)體GaAs相比，GaN材料具有更大的禁帶寬度和更高的電子飽和漂移速度，GaN基材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有更高的擊穿電壓和二維電子氣濃度，以GaN異質(zhì)結(jié)晶體管為核心元件制備的功率放大器具有更高的工作電壓、更大的輸出功率和更高的效率，在軍用和民用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，受到世界各國(guó)的高度重視。目前，新一代GaN基微波功率器件和電路的研究已經(jīng)成為國(guó)際上微波功率領(lǐng)域的主要研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向，是各國(guó)競(jìng)相搶占的新的戰(zhàn)略技術(shù)制高點(diǎn)。

近年來(lái)GaN基功率放大器的研究進(jìn)展很快。在國(guó)外,2008年，富士通公司的KazukiyoJoshin等人報(bào)道的GaN功率放大器在2.5GHz工作頻率下的輸出功率為45dBm,線性增益為17.2dB,漏極效率為50%；009年，C.Meliani等人運(yùn)用4管功率合成技術(shù)，在2~10GHz頻段下，其小信號(hào)增益為7~11dB,輸出功率為2.5~4.5W,在最大輸出功率情況下,功率附加效率超過(guò)20%；010年，Army研究實(shí)驗(yàn)室的AliM.Darwishl等人報(bào)道了0.1~20GHz的GaN基寬帶放大器,增益為(10±2)dB。在國(guó)內(nèi)，2008年，中科院微電子所的曾軒等人采用內(nèi)匹配功率合成技術(shù)設(shè)計(jì)了基于GaNHEMT的X波段內(nèi)匹配功率合成放大器，在8GHz測(cè)出連續(xù)波飽和輸出功率達(dá)到Psat=40dBm(10W),最大PAE=37.44%,線性增益為9dB[7]；009年，中電13所的顧衛(wèi)東等人研制的總柵寬為25.3mm的四胞內(nèi)匹配器件X波段的輸出功率達(dá)到141.25W,線性增益大于12dB,PAE達(dá)到41.4%；010年，南京電子研究所的孫春妹等人研究了內(nèi)匹配電路的設(shè)計(jì)，在12GHz時(shí)的功率增益大于5dB,功率附加效率為29.07%。

本文運(yùn)用功率合成技術(shù)設(shè)計(jì)了一種X波段GaN基微波功率放大器，并解決了大功率大柵寬器件功率合成問(wèn)題和奇模振蕩問(wèn)題。當(dāng)七s=-3.2V,VDS=6V,1ds=200mA時(shí)，在8GHz時(shí)的仿真增益為20.80dB,飽和輸出功率可達(dá)到35.268dBm(約為3.36W)。

1器件制備

本設(shè)計(jì)所采用的GaNHEMT管芯由筆者所在實(shí)驗(yàn)室自主研制，其器件樣品設(shè)計(jì)圖如圖1所示，其中圖1(a)是其結(jié)構(gòu)示意圖，該器件的襯底是S1C材料，其熱導(dǎo)率比Si和藍(lán)寶石高得多，非常適合做大功率器件的襯底。緩沖層是2.5nm的GaN層，目的是提高上層20nm的1-GaN的生長(zhǎng)質(zhì)量。AlGaN勢(shì)壘層厚度為25nm,Al組分為0.28,源漏電極采用T1/Al/N1/Au多層金屬，柵極為Ni/Au。圖1(b)為GaNHEMT器件實(shí)物圖，該器件柵長(zhǎng)0.25um,柵寬10X100um,柵源距1um和柵漏距3um。

(b)實(shí)物圖

圖1  GaNHEMT器件樣品設(shè)計(jì)圖

為了獲得較好的線性度，設(shè)計(jì)采用A類(lèi)功率放大器設(shè)計(jì)。圖2所示是器件的輸出和頻率特性曲線。其中圖2(a)器件輸出特性曲線，在么=-2V的飽和電流為T(mén)dsat=495.8mA，使用時(shí)可取Vgs=-3.2V，Vds=6V,么=200mA為直流靜態(tài)工作點(diǎn)。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)該器件進(jìn)行小信號(hào)測(cè)試，并利用S參數(shù)得到器件的截止頻率/T=26GHz,最高振蕩頻率fm,=35GHz。可見(jiàn),該器件具有較好的頻率特性，適合在X波段進(jìn)行功率放大器設(shè)計(jì)。

2電路設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的功率放大器著手，同時(shí)針對(duì)GaNHEMT器件的特點(diǎn)，在X波段對(duì)微波單片電路展開(kāi)了相應(yīng)的研究。具體設(shè)計(jì)流程是：首先確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選定合適的功率器件，并確定設(shè)計(jì)功放類(lèi)型和工作點(diǎn)；然后選擇合適的偏置網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì);再結(jié)合電磁場(chǎng)聯(lián)合仿真優(yōu)化電路得到理想的結(jié)果；最后完成該功率放大器的版圖設(shè)計(jì)。

圖3所示是該放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致分為輸入匹配、輸出匹配、級(jí)間匹配和偏置四個(gè)部分，器件前面加有RC穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，相鄰上下器件加有隔離電阻，輸入和輸出端分別加入一個(gè)隔直電容。圖中的T1~T6為使用的GaNHEMT晶體管。輸入和輸出匹配電路的目的分別是將源阻抗和漏阻抗匹配到50Q；級(jí)間匹配的主要作用是在不產(chǎn)生明顯功

率反射的情況下，將前后兩級(jí)連接起來(lái)。

(a)輸出特性曲線

f/GHz

(b)頻率特性曲線

圖2     器件的輸出特性和頻率特，性曲線

圖3  功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

當(dāng)電=-3.2V,Vds=6V,頻率為8GHz時(shí)，該功率放大器電路穩(wěn)定因子K曲線如圖4所示。根據(jù)穩(wěn)定因子K的仿真結(jié)果，在整個(gè)頻段上,K>1,表明電路絕對(duì)穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了增加電路的穩(wěn)定性，減小電路發(fā)生振蕩的可能性，設(shè)計(jì)時(shí)首先在器件輸入端增加了并聯(lián)的RC有耗網(wǎng)絡(luò)。RC有耗網(wǎng)絡(luò)可以抵消輸入端的負(fù)阻，提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性。另外，引入的RC網(wǎng)絡(luò)會(huì)增加輸入端的插入損耗，所以，電阻R值需要優(yōu)化，以使得引入的插入損耗最小。然后在樹(shù)狀微帶線電

路間并聯(lián)隔離電阻來(lái)壓制由于各支路相位不平衡而可能導(dǎo)致的奇模振蕩口。圖5所示是功率放大器在8GHz時(shí)的功率增益和輸出功率特性。由圖可見(jiàn)，器件在8GHz時(shí)的輸出功率最大值為35.268dBm（約為3.36W左右）,主要是因?yàn)槁╇妷罕容^低，所以輸出功率比較小，整體達(dá)到功率合成的效果。

圖4     功率放大器穩(wěn)定因子K仿真結(jié)果

圖5     功率放大器在8GHz時(shí)的功率增益和輸出功率特性

圖6所示是上述放大器的設(shè)計(jì)版圖。由于微帶線都是采用50Q特征阻抗，版圖面積為15mmX8mm,在后續(xù)設(shè)計(jì)中,也可改用其它特征阻抗以縮小版圖面積。在版圖設(shè)計(jì)中，首先是布局要盡量合理；其次是微帶線的走線，無(wú)源元件要和其它元件保持適當(dāng)距離；再次是在縮小芯片面積的同時(shí)，還要考慮無(wú)源元件之間、無(wú)源元件與有源器件之間的互干擾效應(yīng)。由于在仿真過(guò)程中，對(duì)用于匹配設(shè)計(jì)的無(wú)源元件，無(wú)論是布局還是微帶線長(zhǎng)度與布線，都在ADS中進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真分析,并帶入原理圖進(jìn)行了仿真并反復(fù)優(yōu)化，所以，版圖與原理圖相互對(duì)應(yīng)，從而提高了電路設(shè)計(jì)的精度。

3 結(jié)論

該設(shè)計(jì)基于本實(shí)驗(yàn)室自制的GaNHEMT晶體管，成功設(shè)計(jì)了X波段兩級(jí)二推四的功率放大器，同時(shí)解決了大功率大柵寬器件功率合成問(wèn)題和奇模振蕩問(wèn)題。在偏置W-3.2V,，ds=6V,，ds=200mA的情況下，在8GHz時(shí),仿真得到的增益為20.380dB,連續(xù)波飽和輸出功率可以達(dá)到Psat=35.268dBm（約為3.36W）,整體可以達(dá)到功率合成的效果。

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