S波段宽带GaN放大器的设计

　　摘要：氮化镓功率管的宽带隙、高击穿电场等特点，使其具有带宽宽，高效特性等优点。为了研究GaN 功率放大器的特点，使用了Ag ilent ADS 等仿真软件，进行电路仿真设计，设计制作了一种S 波段宽带GaN 功率放大器。详述了电路仿真过程，并对设计的宽带GaN 功率放大器进行测试，通过测试的实验数据表明，设计的宽带放大器在S 波段宽带内可实现功率超过44 dBm 的功率输出，验证了GaN 功率放大器具有宽带的特点。

　　新一代半导体功率器件主要有SiC 场效应晶体管和GaN 高电子迁移率晶体管。宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能，广泛应用于雷达、通信、战斗机、海洋勘探等重要领域。本文使用Agilent ADS 仿真软件设计实现一款GaN 宽带功率放大器，并对放大器进行了详细测试，验证了放大器在S 波段2 GHz 带宽内的宽带性能。

　　1 设计目标

　　设计一款S 波段宽带放大器，满足如下指标：

　　工作频率： S 波段;

　　工作带宽： ± 1 000 MHz;

　　输出功率：≥ 44 dBm;

　　效率： ≥30%。

　　2 宽带放大器设计

　　2. 1 功率器材的选择

　　为了在S 波段2 GHz 带宽内输出25 W 的功率，对射频功率管有一定的要求：例如低的输出寄生电容、导通电阻等。常用的硅双极管由于单管胞输出功率有限，在高输出功率下，多管胞合成后的特性不能满足宽带设计要求。因此，具有较高功率密度、低导通电阻、低寄生电容、高输出阻抗的宽禁带器件是实现该设计的首选。

　　基于GaN 器件的宽带功率放大器，国外公开的报道已经完成了三代基于管芯的宽带功放研制。第一代功率放大器采用改进的行波放大器结构，带宽为1 ~8 GHz, 小信号增益为7 dB, V ds = 18 V 时输出功率3. 6 W; 第二代功率放大器采用LCR 匹配，并使用2 个Wilkinson 合成器实现4 路合成，带宽3~ 10 GHz, 小信号增益是7 dB, 在8 GH z 处最高输出功率可达8. 5 W, 功率附加效率达到20% ; 第三代功率放大器采用改进的2 ×2矩阵行波功率放大器结构，带宽1 ~6 GHz, 输出功率7. 5 W, 功率附加效率达到25%。

　　然而由于宽禁带固态器件目前还处于迅速发展阶段，且在军事及航空航天领域的应用潜力，导致高频、大功率、管芯等器件还处于禁运状态，因此该设计使用的宽禁带功率管为允许对国内销售的货架产品。经综合比较，选定的器件指标如表1 所示。

　　表1 宽禁带功率器件指标

　　2. 2 ADS 射频仿真

　　经典的宽带匹配理论由H · W ·Bode 发表于1945 年，他应用环路积分的方法对RC 并联负载计算了匹配网络的增益带宽积，证明其小于等于一个常数。

　　其后R· M · Fano , D · C · Youla 等人进一步发展了宽带匹配理论。然而，在工程应用设计中，设计一个宽带功率放大器，需要在宽带匹配理论的基础上，兼顾其拓扑结构、宽带匹配网络和宽带偏置网络等; 因此，该设计将基于功率匹配的概念，利用大信号下的输入/ 输出阻抗、精确的非线性模型、谐波平衡仿真、负载牵引仿真设计等，实现目标频段的射频性能。

　　在仿真设计过程中，单节拓扑结构电路因其本身Q值较高，匹配的频率范围窄，只有在窄频范围内匹配较好，不能用于宽带匹配。因此，只能利用结构复杂的多节拓扑结构电路进行匹配，并利用负反馈技术提高稳定性和拓展带宽。多节匹配电路的特点相对于单节电路结构复杂，占用几何空间大，可控变量多，仿真分析需要更多时间，但其优点是能够在更宽的带宽中寻求更好的匹配设计。

　　在多支节匹配网络中，输入端各有多段微带线，每个微带线有长度和宽度两个变量，这样在输入端和输出端都有多个可控变量，进行ADS 优化仿真设计。在阻抗匹配电路的设计时，实际上是通过共轭匹配将要匹配的器件的端口逐渐匹配到50 的特性阻抗上。又因为一般器件的输入/ 输出阻抗在射频频段内是随着频率的变化而变化的，所以在用分布参数进行电路匹配时，不可能在所要求的频段内达到完全的匹配，在宽带要求的情况下，更加难以实现。

　　因此，只能采用一些拓扑结构形式，设计出符合指标的匹配电路，才可以将输入/ 输出阻抗匹配到50 的特性阻抗上。

　　构建的匹配电路仿真模型如图1 所示。