基于Agilent ADS仿真軟件的GaN寬帶功率放大器設(shè)計(jì)

0 引言

新一代半導(dǎo)體功率器件主要有SiC場效應(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，國外公開的報(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)國內(nèi)銷售的貨架產(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，儀表測試如圖5所示。

3 結(jié)語

本文對(duì)寬帶放大器進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬仿真，詳述了電路仿真過程，并對(duì)設(shè)計(jì)的放大器電路進(jìn)行測試。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。