基于Agilent ADS仿真軟件的高效GaN寬禁帶功率放大

　　0 引言

　　半導(dǎo)體功率器件按材料劃分大體經(jīng)歷了三個階段。第一代半導(dǎo)體功率器件以Si雙極型功率晶體管為主要代表，主要應(yīng)用在S波段及以下波段中。Si雙極型功率晶體管在L波段脈沖輸出功率可以達(dá)到數(shù)百瓦量級，而在S波段脈沖功率則接近200W。第二代半導(dǎo)體功率器件以GaAs場效晶體管為代表，其最高工作頻率可以達(dá)到30～100 GHz。GaAs場效應(yīng)晶體管在C波段最高可輸出功率接近100W，而在X波段則可達(dá)到25 W。第三代半導(dǎo)體功率器件以SiC場效應(yīng)晶體管和GaN高電子遷移率晶體管為主要代表。同第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，SiC和GaN半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點，特別適合應(yīng)用于高頻、高功率、抗輻射的功率器件，并且可以在高溫惡劣環(huán)境下工作。由于具備這些優(yōu)點，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)用于人造衛(wèi)星、火箭、雷達(dá)、通訊、戰(zhàn)斗機(jī)、海洋勘探等重要領(lǐng)域。

　　本文基于Agilent ADS仿真軟件設(shè)計實現(xiàn)一款高效GaN寬禁帶功率放大器，詳細(xì)說明設(shè)計步驟并對放大器進(jìn)行了測試，結(jié)果表明放大器可以在2.3～2.4 GHz內(nèi)實現(xiàn)功率15W以上，附加效率超過67%的輸出。

　　1 GaN寬禁帶功率放大器的設(shè)計

　　1.1 放大器設(shè)計指標(biāo)

　　在2.3～2.4 GHz工作頻段內(nèi)，要求放大器連續(xù)波工作，輸出功率大于10 W，附加效率超過60%。

　　1.2 功率管的選擇

　　根據(jù)放大器要求的設(shè)計指標(biāo)，設(shè)計選用的是某進(jìn)口公司提供的SiC基GaN寬禁帶功率管，其主要性能參數(shù)見表1。

　　1.3 放大器電路設(shè)計

　　圖1為功率放大器原理框圖。圖1中，IMN&Bias和OMN&Bias分別為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)及輸入偏置電路和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)及偏置電路，VGS和VDS分別為柵極-源極工作電壓和漏極-源極工作電壓。采取的設(shè)計思路是：對功率管進(jìn)行直流分析確定放大器靜態(tài)工作電壓;進(jìn)行穩(wěn)定性分析和設(shè)計;利用源牽引(Source Pull)和負(fù)載牽引(Load Pull)方法確定功率管匹配電路的最佳源阻抗ZS和最佳負(fù)載阻抗ZL(ZS和ZL的定義見圖1);

　　根據(jù)獲得的源阻抗與負(fù)載阻抗進(jìn)行輸入、輸出匹配電路設(shè)計以及偏置電路設(shè)計;加工、調(diào)試及改版。

　　1.3.1 直流分析

　　對功率放大器進(jìn)行直流分析的目的是通過功率管的電流-電壓(I-V)曲線確定功率管的靜態(tài)工作電壓。由于廠家提供了功率管的ADS模型，因此設(shè)計中直接利用該模型進(jìn)行仿真設(shè)計(下同)。

　　圖2為在Agilent ADS軟件中對器件模型進(jìn)行直流分析的結(jié)果。根據(jù)廠家給出的器件規(guī)格參數(shù)以及圖2中的I-V曲線，選用VDS=28 V，VGS=-2.5 V作為放大器的工作電壓。為使放大器能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率，這里選取靜態(tài)電壓讓放大器在C類條件下工作。

　　1.3.2 穩(wěn)定性分析

　　穩(wěn)定性是放大器設(shè)計中需要考慮的關(guān)鍵因素之一，它取決于晶體管的S參數(shù)和置端條件。功率放大器的不穩(wěn)性將產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的寄生振蕩，導(dǎo)致結(jié)果失真，甚至設(shè)計失敗。因此，在進(jìn)行放大器阻抗匹配電路設(shè)計之前，必須進(jìn)行穩(wěn)定性分析與設(shè)計。

　　圖3給出了功率管穩(wěn)定系數(shù)隨頻率的變化曲線。圖3中，穩(wěn)定系數(shù)K與D分別定義為：

　　從圖3可以看出，在設(shè)計頻段內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)K和D分別滿足大于1和小于1的條件，所以功率管為無條件穩(wěn)定。

　　1.3.3 源牽引與負(fù)載牽引分析

　　源牽引/負(fù)載牽引分析方法原理：放大器在大信號電平激勵下，通過連續(xù)變換源阻抗/負(fù)載阻抗對功率管進(jìn)行分析，然后在Smith阻抗圓圖上畫出等功率曲線和等增益曲線，并根據(jù)設(shè)計要求選擇出最佳源阻抗/最佳負(fù)載阻抗準(zhǔn)確設(shè)計出滿足要求的功率放大器。

　　分析中選取中心頻率f=2.35 GHz。為準(zhǔn)確獲取功率管的最佳源阻抗ZS和最佳輸出阻抗ZL，分析過程中遵循效率優(yōu)先的策略，并采取如下步驟：

　　首先，假定ZS(O)=10 Ω進(jìn)行負(fù)載牽引分析獲得ZL(1);然后，根據(jù)ZL(1)進(jìn)行源牽引分析獲得ZS(1);再根據(jù)ZS(1)進(jìn)行負(fù)載牽引分析得到ZL(2)，…。重復(fù)進(jìn)行源牽引分析與負(fù)載牽引分析，直至前后兩次得到的負(fù)載阻抗ZL相等或者相差很小為止。

　　圖4為進(jìn)行源牽引分析和負(fù)載牽引分析得到的功率管輸出功率、附加效率(Power Added Efficiency，PAE)等高線圖。圖4中，功率管的附加效率定義為：

　　式中：POUT，PIN和PDC分別為放大器輸出功率、輸入功率和電源消耗功率;ηPAE代表功率附加效率。

　　從圖4中可以讀出功率放大器的最佳源阻抗與最佳負(fù)載阻抗分別為ZS=2.1-j6.5 Ω與ZL=13+j7.8 Ω。

　　1.3.4 匹配網(wǎng)絡(luò)、偏置電路設(shè)計

　　匹配電路主要用來進(jìn)行阻抗變換，其最終的目的是為了實現(xiàn)最大的功率傳輸。在仿真設(shè)計過程中，首先假設(shè)是在理想偏置電路的情況下利用取得的最佳源阻抗和最佳負(fù)載阻抗進(jìn)行輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，然后根據(jù)1/4λ準(zhǔn)則進(jìn)行偏置電路設(shè)計，并通過微調(diào)電路部分參數(shù)使偏置電路滿足射頻扼流的要求。在Agilent ADS軟件中，為使設(shè)計能夠準(zhǔn)確模擬真實情況，一般需要在電路設(shè)計(基于模型的)之后進(jìn)行RFMomen-tum優(yōu)化仿真。圖5為Agilent ADS軟件設(shè)計的放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與偏置電路。圖5中，微波電路基板材料選用的是Rogers公司的RT/duroid 6002板材，介電常數(shù)為2.94，厚度為O.254 mm。優(yōu)化仿真過程中發(fā)現(xiàn)：放大器的效率和帶寬是一對矛盾，當(dāng)效率提高時，帶寬變窄，反之亦然。

　　2 指標(biāo)測試

　　放大器實物如圖6所示。

　　對設(shè)計的寬禁帶功率放大器進(jìn)行了測試。測試條件是：連續(xù)波工作，漏極電壓VDS=28 V，柵極電壓VGS=-2.5 V。圖7為頻率為2.35 GHz時，放大器輸出功率、附加效率隨輸入功率的變化曲線。由測試結(jié)果可知：隨著輸入功率的增大，放大器的輸出功率近似呈線性增大，在26 dBm開始出現(xiàn)飽和;隨著輸入功率的增大，放大器附加效率增大，在27 dBm時達(dá)到最大附加效率68.5%。實驗還在2.2～2.6 GHz頻率范圍內(nèi)(0.5 GHz為步長)測試了放大器的輸出功率和附加效率參數(shù)，測試結(jié)果如圖8所示。在2.25～2.5 GHz頻率范圍內(nèi)，放大器輸出功率在10 W以上，附加效率也超過60%。在2.3～2.4 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率超過15 W，附加效率超過67 9/6，放大器滿足設(shè)計指標(biāo)。

　　3 結(jié)語

　　利用SiC基GaN寬禁帶功率器件設(shè)計制作了S波段10 W功率放大器。試驗測試結(jié)果表明所設(shè)計的放大器在2.3～2.4 GHz內(nèi)附加效率在67 9/6以上，也證實了寬禁帶器件高效率、高增益的特點。