2 GHz～6 GHz宽带功率放大器的研究

摘  要：着眼小型化、大功率，对宽禁带半导体中的GaN功率器件的宽带内匹配技术进行了研究。基于国产的GaN功率器件，采用切比雪夫宽带匹配理论，研制了一款工作频率覆盖2 GHz～6 GHz的宽带功率放大器，在设计过程中重点关注了功率放大器在各种工作条件下的稳定性。测试结果表明在漏源电压为36 V，连续波条件下，在2 GHz～6 GHz的带宽内实现了输出功率全部大于100 W，功率平坦度小于1.0 dB，功率附加效率大于38%，最高点达到了45%。

关键词：宽带;功率放大器;半导体;GaN

中图分类号：TN722        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）01-0060-03

Abstract： Focusing on miniaturization and high power， the broadband internal matching technology of GaN power devices in wide bandgap semiconductors is studied. Based on domestic GaN power devices and using Chebyshev broadband matching theory， a broadband power amplifier with working frequency covering 2 GHz～6 GHz is developed. In the design process， we focus on the stability of the power amplifier under various working conditions. The test results show that under the condition of 36 V drain source voltage and continuous wave， it realizes that the output power are all more than 100 W， the power flatness is less than 1.0 dB， the power additional efficiency is more than 38% and the highest point reaches 45% in the bandwidth of 2 GHz～6 GHz.

Keywords： broadband; power amplifier; semiconductor; GaN

0  引  言

随着无线通信技术的高速发展，多种通信标准和多种工作模式的通信系统应运而生，这给人们的生活与工作等方面带来了极大的便捷，其高速发展的一个结果是导致了用户数量的快速增长和宽带通讯业务的迅猛发展与大量开展，这使得原来的可用的通讯频段变得越来越拥挤，旧的带宽满足不了今后的要求，这就需要拓展新的频带来满足上述要求。同时为了減少体积和节约硬件成本，对宽带的通信系统产生了大量的需求，这对系统中关键部件之一的宽带功率放大器的需求，得到了进一步的提高。

对于内匹配的功率放大器的设计而言，重点就是阻抗匹配，合适的阻抗匹配网络可以实现通带内最佳的功率传递。通常在阻抗匹配中，匹配电路所能达到的匹配仅限于在一定的频率附近能达到的较好匹配即匹配带宽较窄。如果工作频率发生了变化，微波晶体管的输入与输出阻抗都会发生相应的变化，频率变化较多时可能变化很大。所以要想保持在较宽的工作频带内具有良好的共轭匹配，就要采用较为有效的宽带匹配的电路。其次，随着工作频率的逐渐变高，功率放大器设计中的核心器件晶体管的增益会有一定程度的下降通常为6dB/倍频程，所以在设计工作带宽较宽特别是超过倍频程的功率放大器的过程中，为了要达到整个工作带宽内较为平坦的增益曲线，就需要适当地降低频率低端部分的增益。所以 宽带的阻抗匹配电路设计是宽带功率放大器设计的难点与重点。另外，稳定性是功率放大器设计中最重要的指标之一，稳定的功率放大器可以满足整个系统的正常工作，而不稳定的功率放大器会造成系统工作的不稳定，严重的情况下可能还会烧毁系统中的重要设备，使得整个系统不能工作，造成严重的损失。所以对功率放大器的研究与设计中，最先考虑的就是功率放大器的稳定性问题。

GaN材料作为第三代半导体典型的代表，具有很多优异的特性，如禁带宽度宽、击穿场强高、热传导率高、峰值电子漂移速度高，最重要的优势是其最佳阻抗随频率的变化较慢，所以比较容易制作宽带功率放大器[1-5]。

1  仿真与设计

1.1  功率放大器的预匹配设计

根据负载牵引仿真结果，在栅源电压-2.5 V，漏源电压36 V的条件下，在频率2 GHz时，单个功率芯片最佳效率输出阻抗为Zout=6.15+8.89j。在频率6 GHz时，单个功率芯片最佳效率输出阻抗为Zout=3.78+5.74j。由此可见，GaN管芯的阻抗随频率变化较慢，所以，较为适合制作宽带的功率放大器，为此，先用T型网络，将阻抗值提升为5欧姆，并且通过匹配电路去掉其虚部，使得阻抗成为实阻抗，便于后边功率合成。电路原理图如图1所示。

1.2  宽带匹配电路的实现

设计功率放大器就是要将晶体管的最佳输入输出阻抗匹配到系统要求的阻抗。并保证功率放大器稳定的工作。输入端的阻抗匹配主要影响功率放大器的输入驻波比，稳定性，增益以及增益平坦度等。而输出匹配电路的重点是对输出功率和功率附加效率进行匹配。设计带宽较宽的功率放大器，最重要的是对宽带匹配电路进行详细而全面的分析与设计，并采用合适的工艺路线实现电路。

采用威尔金森功分器，进行功率合成，同时将阻抗变换至50欧姆。由式（1）微带传输线理论的基本关系式进行推导：

其中Z0为传输线特性阻抗;Zl为传输线负载端阻抗;l为传输线长度。β=2π/λ，其中λ为波长。以中心频点f0分析，并取l=λ/4，则单路经过特性阻抗为Z01的λ/4传输线后阻抗变为，进而两路直接合成后阻抗为：Z=Zl/2。式中：Z为最终输出阻抗50 Ω，Zl为预匹配后的阻抗，Z01为λ/4变换线的阻抗。通过计算可以得出以上需要的各参数。电路原理图如图2所示。

以上分析只是窄带或者点频的一个匹配过程，要实现宽带电路，还必须进行宽带匹配电路的设计。要扩展匹配电路的带宽，一个有效的途径是增加匹配电路的阶数。考虑N阶1/4波长（在中心频率电长度为90°）支节把Zl宽带匹配到Z0。根据最小反射理论，总的输入反射系数满足：

为了拓宽带宽，我们需要增加匹配电路的阶数，用上述式（4）计算出的结果，继续带入后面的第二阶匹配电路进行计算。然后循环带入计算，并将阻抗转换为对应的发射系数。由此可以看出，不同的Zi值的组合特性，就会得到各种不同的匹配性能。为了在要求的工作频带内增益满足平坦度要求，采用切比雪夫宽带匹配，此理论的中心思想就是合理设计取得的各个Zi后反射系数公式，让其尽量满足切比雪夫多项式的形式。在确定了通带里最大的发射系数波纹Tmax和支节数N后得出的发射系数公式为：

接着对应cos（n，Φ），n=2i或2i+1项系数相等的方法求出Γi，最后通过公式递推就可以计算出具体的Zi值，经过以上工作，就完成了一个宽带切比雪夫的匹配设计。得到初值后，用仿真软件进行仿真设计，结果如图3所示。

1.3  宽带匹配电路隔离的实现

在平面合成时，由于两路放大电路不可能做到完全一致，造成支路之间会有一定的反射，同时由于GaN管芯的增益比较高，如果两路间的隔离不好，容易引起自激，所以必须考虑两路之间的隔离设计。类似于Wilkinson功分器，在单路λ/4线之后加入一合适的隔离电阻。这样可以有效地增加支路之间的隔离度。经过仿真以及实验验证，最后确定输入端的隔离电阻分别为100欧姆和60欧姆。增加了隔离电阻的电路原理图如图4所示。

将增加了隔离电阻的功分器带入软件进行仿真，得到各端口间的隔离度均大于10 dB。

1.4  宽带功率放大器的稳定性

稳定性是功率放大器最重要的指标之一，如果轻微的扰动就会使功率放大器产生自激震荡轻则造成系统无法工作，重则会烧毁系统。造成不可估量的损失。

为此，在设计功率放大器的时候，重点关注了稳定性指标，下图为功率放大器仿真的稳定性系数。可以看到在0 GHz～ 10 GHz的范围内，Mu值和稳定性因子均大于1。

通过以上理论分析及仿真，匹配电路中的电感采用精确控制照片长度的键合金丝来替代。

2  性能测试

2.1  电性能测试结果

利用微波功率测试系统，对设计完成的2 GHz～6 GHz宽带GaN内匹配功率放大器进行微波功率性能的测量。测试夹具输入和输出端的阻抗均为50欧姆，可以和仪器实现很好的阻抗连接。偏置条件设定为漏源电压为36 V，栅源电压为-2.5 V。连续波条件下测试，在2 GHz～6 GHz的频带内，输出功率全部大于100 W，功率平坦度为1.0 dB，功率附加效率大于38%，最高点达到了45%。功率放大器正面照片及测试曲线如图5、图6所示。

2.2  稳定性测试

功率放大器的稳定性是很重要的一个指标，功率放大器不稳定的原因很多，最终都是因为输出信号反饋到功率放大器的输入端，从而形成了正反馈。这种反馈可以通过电源端，也可以通过信号通路或者晶体管的内部寄生形成。设计功率放大器的时候要阻断这种反馈，防止功率放大器发生自激。所以对功率放大器的测试及评估中，稳定性的测试评估是重点工作之一。通常是对功率放大器进行稳定性测试与分析，了解功放稳定工作的条件，这对后续功率放大器的使用显得十分有必要。

搭建好如下测试系统，对功率放大器的输入和输出端口分别进行失配测试，用于评估功率放大器的稳定性。

分别对功率放大器的输入端口和输出端口进行失配测试，并组合功率回退与漏压的变化。最终得到的测试结果为在漏压28 V～42 V的范围内，输入输出端口失配到5：1，功率放大器均不会自激。测试结果表明，功率放大器的稳定性满足使用要求。

3  结  论

现代无线通信系统的发展，以及人们对通信质量及速度的要求，对功率放大器的工作带宽提出了新的挑战。以GaN为代表的第三代半导体的发展及成熟，让功率放大器的工作带宽拓宽成为可能，也有巨大的优势。本文着眼于宽带、小型化、大功率，对宽禁带半导体中的GaN功率器件的宽带内匹配技术进行了研究。在2 GHz～6 GHz的带宽内实现了100 W的功率输出，其在工作频带内的功率附加效率最高点达到了38%。故以GaN为代表的第三代半导体具有良好的宽带特性，且在功放的设计过程中，结合切比雪夫宽带匹配理论指导宽带匹配电路的设计，可以设计出带宽满足现代通讯应用场合的宽带功率放大器。这种设计方法可以推广到其他频段的宽带功率放大器的设计，具有非常广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 余振坤，刘登宝.S波段宽带GaN芯片高功率放大器的应用研究 [J].微波学报，2011，27（2）：68-71.

[2] UI N，SANO S. A 100W Class-E GaN HEMT with 75% Drain Efficiency at 2GHz [C]//2006 European Microwave Integrated Circuits Conference.Manchester：IEEE，2007：72-74.

[3] YAMATO T，MITANI E，INOUE K，et al. A 9.5–10.5GHz 60W AlGaN/GaN HEMT for X-band high power application [C]//2007 European Microwave Integrated Circuit Conference.Munich：IEEE，2007：173-175.

[4] 孙春妹，钟世昌，陈堂胜，等.Ku波段20W AlGaN/GaN功率管内匹配技术研究 [J].电子与封装，2010，10（6）：23-25+38.

[5] 余振坤，郑新.SiC宽禁带功率器件在雷达发射机中的应用分析 [J].微波学报，2007（3）：61-65.

作者简介：关统新（1987—），男，汉族，甘肃白银人，工程师，硕士研究生，主要研究方向：GaN功率放大器与功率组件。