0 引言
新一代半導(dǎo)體功率器件主要有SiC場(chǎng)效應(yīng)晶體管和GaN高電子遷移率晶體管,。有別于第一代的Si雙極型功率晶體管和第二代GaAs場(chǎng)效晶體管,，新一代SiC和GaN半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、高擊穿場(chǎng)強(qiáng),、高功率密度以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),，理論上特別適合應(yīng)用于高頻、高功率,、抗輻射的功率器件的場(chǎng)合,。由于具備這些優(yōu)點(diǎn)，寬禁帶半導(dǎo)體功率器件可以明顯提高電子信息系統(tǒng)的性能,，廣泛應(yīng)用于雷達(dá),、通信、戰(zhàn)斗機(jī),、海洋勘探等重要領(lǐng)域,。本文使用Agilent ADS仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款GaN寬帶功率放大器，并對(duì)放大器進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試,，驗(yàn)證了放大器在S波段2GHz帶寬內(nèi)的寬帶性能,。
1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
設(shè)計(jì)一款S波段寬帶放大器，滿(mǎn)足如下指標(biāo)：
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(jì)
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(duì)射頻功率管有一定的要求：例如低的輸出寄生電容,、導(dǎo)通電阻等。常用的硅雙極管由于單管胞輸出功率有限,，在高輸出功事下,，多管胞合成后的特性不能滿(mǎn)足寬帶設(shè)計(jì)要求。因此,，具有較高功率密度,、低導(dǎo)通電阻、低寄生電容,、高輸出阻抗的寬禁帶器件是實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的首選,。
基于GaN器件的寬帶功率放大器，國(guó)外公開(kāi)的報(bào)道已經(jīng)完成了三代基于管芯的寬帶功放研制,。第一代功率放大器采用改進(jìn)的行波放大器結(jié)構(gòu),，帶寬為1～8 GHz，小信號(hào)增益為7 dB,，Vds=18 V時(shí)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(gè)Wilkinson合成器實(shí)現(xiàn)4路合成,，帶寬3～10 GHz,，小信號(hào)增益是7 dB，在8 GHz處最高輸出功率可達(dá)8．5 W,，功率附加效率達(dá)到20％,；第三代功率放大器采用改進(jìn)的2x2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(dá)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(yīng)用潛力,，導(dǎo)致高頻、大功率,、管芯等器件還處于禁運(yùn)狀態(tài),，因此該設(shè)計(jì)使用的寬禁帶功率管為允許對(duì)國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售的貨架產(chǎn)品。經(jīng)綜合比較,，選定的器件指標(biāo)如表1所示。
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(yīng)用環(huán)路積分的方法對(duì)RC并聯(lián)負(fù)載計(jì)算了匹配網(wǎng)絡(luò)的增益帶寬積,，證明其小于等于一個(gè)常數(shù)。其后R·M·Fano,，D·C·Youla等人進(jìn)一步發(fā)展了寬帶匹配理論,。然而,，在工程應(yīng)用設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)一個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)、寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)和寬帶偏置網(wǎng)絡(luò)等,；因此,，該設(shè)計(jì)將基于功率匹配的概念，利用大信號(hào)下的輸入／輸出阻抗,、精確的非線性模型,、諧波平衡仿真、負(fù)載牽引仿真設(shè)計(jì)等,，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)頻段的射頻性能,。
在仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中，單節(jié)拓?fù)浣Y(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(fù)雜的多節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路進(jìn)行匹配，并利用負(fù)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(diǎn)相對(duì)于單節(jié)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，占用幾何空間大，可控變量多,，仿真分析需要更多時(shí)間,，但其優(yōu)點(diǎn)是能夠在更寬的帶寬中尋求更好的匹配設(shè)計(jì)。
在多支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)中,，輸入端各有多段微帶線,，每個(gè)微帶線有長(zhǎng)度和寬度兩個(gè)變量，這樣在輸入端和輸出端都有多個(gè)可控變量,，進(jìn)行ADS優(yōu)化仿真設(shè)計(jì),。在阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際上是通過(guò)共軛匹配將要匹配的器件的端口逐漸匹配到50 Ω的特性阻抗上,。又因?yàn)橐话闫骷妮斎耄敵鲎杩乖谏漕l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(jìn)行電路匹配時(shí)，不可能在所要求的頻段內(nèi)達(dá)到完全的匹配,，在寬帶要求的情況下,，更加難以實(shí)現(xiàn)。
因此,，只能采用一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式,，設(shè)計(jì)出符合指標(biāo)的匹配電路,，才可以將輸入／輸出阻抗匹配到50 Ω的特性阻抗上。
構(gòu)建的匹配電路仿真模型如圖1所示,。
在電路的仿真設(shè)計(jì)中,，對(duì)功率管進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置、穩(wěn)定性分析后,，利用負(fù)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(shí)際饋電電路的影響后，對(duì)設(shè)計(jì)好的寬帶匹配電路進(jìn)行大信號(hào)S參數(shù),、諧波平衡等仿真優(yōu)化,。通過(guò)仿真優(yōu)化，在S波段2 GHz帶寬頻帶范圍內(nèi)(f1～f9),，仿真結(jié)果如圖2所示,。
功率管的最高頻率點(diǎn)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(diǎn)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,。
2．4 寬帶放大器測(cè)試
設(shè)計(jì)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(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),。測(cè)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 μs占空比20％。寬帶放大器實(shí)物圖如圖4所示,，儀表測(cè)試如圖5所示,。
3 結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)寬帶放大器進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬仿真，詳述了電路仿真過(guò)程,，并對(duì)設(shè)計(jì)的放大器電路進(jìn)行測(cè)試,。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明設(shè)計(jì)的放大器在S波段2 GHz帶寬內(nèi)可實(shí)現(xiàn)功率超過(guò)44 dBm的輸出，驗(yàn)證了GaN功率放大器的寬帶特性,。給出了可用于實(shí)際設(shè)計(jì)的方法,，對(duì)寬帶放大器設(shè)計(jì)實(shí)踐工作具有一定的幫助。