L频段高效功率放大器设计

刘传洋;蓝永海

【摘 要】As one of the new kind of semiconductor material,the high power density and breakthrough field capacity of GaN fea-tures high bandwidth and efficiency. According to these features of GaN,the input and output matching circuits of power tube are simu-lated and designed by using ADS simulation software,and then the efficiency index of the amplifier is tested. The experiment results show that the output power of continuous wave can be up to 100 W and the efficiency can be better than 50% in L band,at the same time the high efficiency of the GaN power tube are validated.%氮化镓（ Gallium （ iii） Nitride， GaN）作为新一代半导体材料的代表，其高功率密度、高击穿场强的特点使其具备了带宽宽、效率高等优点。根据GaN功率管的特点，采用ADS仿真软件，对功率管进行了直流分析、稳定性分析以及输入输出匹配电路的仿真与设计，并对放大器效率指标进行了测试。实验数据表明，功率放大器在L频段可以达到连续波输出功率100 W，效率大于50％，验证了GaN功率管高效率的特性。 【期刊名称】《无线电工程》 【年(卷),期】2014(000)004 【总页数】4页(P47-49,61)

【关键词】GaN功率管;直流分析;时序;ADS仿真 【作 者】刘传洋;蓝永海

【作者单位】中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴314033;中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴314033 【正文语种】中 文 【中图分类】TN722.75 0 引言

随着有源相控阵系统在机载平台的应用，通信对抗系统不断向小型、轻便和节能方向发展，提高功放效率是迫切需要解决的问题。功放效率和半导体功率器件的发展密不可分，GaN高电子迁移率晶体管的诞生，因其具备高击穿场强、高饱和电子漂移速率等性能，使功放效率得到了很大的提高，已广泛应用于雷达和通信等领域［1，2］。

选用了一款高效GaN功率放大器件，为其设计匹配电路，使得该器件在L频段(0.96～1.25 GHz)内满足输出功率大于100 W，效率大于50%。 1 总体设计方案 1.1 功率管的选择

为了实现在 0.96～1.25 GHz频段内输出100 W的功率，对射频功率管有一定的要求。例如导通电阻要小、输出寄生电容要低等。常用的场效应晶体管输出功率有限，效率相对较低，不能满足高效率要求。因此，具有较高功率密度、低导通电阻、低寄生电容和高输出阻抗的宽禁带器件是实现设计的首选［3－5］。

经综合比较，选定CREE公司的GaN功率管CGH40120F，此功率管的P1 db输出功率110 W，小信号典型增益20 dB，典型效率达到70%。 1.2 放大器电路设计

设计思路:首先对功率管进行直流分析确定功率管的静态工作电压和工作电流;再利

用ADS软件进行仿真，得到输入、输出阻抗匹配电路并对其稳定性加以分析;最后加工印制板、调试及改版。 1.3 直流分析

对功率管进行直流分析的目的是通过功率管的电流－电压(I-V)曲线确定功率管的静态工作电压和电流。选择正确的直流工作点以及适当的直流偏置电路，对获得设计要求的交流特性也是十分重要的。利用ADS软件对该器件进行直流分析的结果如图1所示。根据厂家提供的器件资料及图1中的I-V静态曲线，选取Vds=26 V、Vgs=－2.9 V作为功率管的静态工作点，此时放大器工作在AB类工作状态，在满功率输出时效率较高，线性度也较好［6－8］。 图1 I-V静态曲线 2 关键技术 2.1 时序控制设计

众所周知，GaN器件是负偏置工作器件，漏极和栅极的供电需要一定的时间控制。如图2所示，上电时必须先开启栅极电压Vgs，然后才能开启漏极电压Vds;反之，断电时，先断开漏极电压Vds，然后再断开栅极电压Vgs。 图2 功率管上电断电时序图

很典型地，偏置电压是通过一个1/4波长线引入到射频电路中功率管的电极。在这需要注意的是，漏极上电时，栅极不可以悬空或者接地，否则极易引起类似振荡现象而导致功率管的损坏［9］。 2.2 供电电路设计

在放大器的设计中，其供电及偏置是非常重要的。放大器电路的电源供电和偏置设计不好，将严重影响功放的指标和稳定性。GaN功率管CGH40120F的供电电路设计原则如下:

①反射小，即对主传输线的附加驻波要小;

②引入噪声小，即要求在有高频能量传输的网络中，尽量使用无耗网络，如果实在不能避免则必须要加滤波网络来减小附加噪声的引入;

③附加损耗小，即要求在频带内呈现纯电阻要小，使能量尽可能的沿主线传输到负载，但有耗网络的引入可以改善系统的驻波，因此可以根据具体的设计需要进行取舍。

3 ADS仿真和稳定性分析 3.1 ADS仿真

用ADS仿真设计功率放大器，最理想的情况是器件生产厂家提供大信号情况下的器件模型，而CREE公司恰恰提供了功率管CGH40120F的大信号模型。这样就可以比较准确地进行匹配电路的仿真优化。

匹配电路的设计，实际上是以共轭匹配的方式，将器件的端口阻抗逐渐变换到50 Ω。器件的输入/输出阻抗是随着工作频率变化的，所以在进行阻抗匹配时，不可能在所要求的频段内达到完全的匹配。一般工作频带越宽，阻抗变化越大，匹配电路的设计就越困难。为满足宽带匹配要求，一般都是进行多节的阻抗变换，即在输入端和输出端有多段微带线级联，每个微带线有长度和宽度2个变量［10］。匹配电路仿真模型如图3所示。 图3 匹配电路仿真模型

仿真时既要兼顾功率输出大小又要兼顾效率的高低，此外还要考虑到实际馈电电路的影响。这样就可对设计好的宽带匹配电路进行大信号S参数仿真优化，通过仿真优化，在 L频段(0.96～1.25 GHz)仿真结果如图4所示。

从图4分析得知，功率管CGH40120F输出电路匹配较好，在频率范围为0.96～1.25 GHz内，正向传输增益＞12.8 dB，输出端口驻波＜1.6，说明正向传输很大，反射很小。因此采用节数较多的微带线匹配法结合ADS对设计目标进行优化，减少了人为调试，对功率管匹配网络的实现取得了不错的效果。

图4 功放电路仿真结果 3.2 稳定性分析

稳定性［11］是指放大器抑制环境的变化，维持正常工作的特性的能力，是设计中关键因素之一，它要求设计好的电路稳定输出功率，不自激而且远离自激振荡状态。因此，在放大器阻抗匹配电路设计完成之后必须进行稳定性分析与仿真。 放大器稳定系数随频率的变化曲线如图5所示。可以看出，稳定系数StabFact1﹥1，说明放大器在此频段内无条件稳定。 图5 稳定性曲线 4 仿真的局限性

仿真与实物之间肯定存在或大或小的差异。在本设计过程中，误差的形成主要有以下几个方面:

①参数设置不准确。主要是印制板材的参数不准，如介电常数、板材厚度不均匀，各数值误差范围较大等;

②用S参数提取的数据有误差。尽管在优化过程中尽量使两者的S参数一致，但毕竟不可能完全一样，提取的参数和实际有差别; ③印制板加工过程中引入的误差;

④仿真算法引入的误差。在仿真过程中，各元器件都是用理想元件来计算的，必然与实际有较大的差异［12］。 5 测试结果

根据仿真设计过程，加工了一块该放大器的电路印制板，板材为0.5 mm厚聚四氟乙烯玻璃纤维双面覆铜板。装配好一个模块，经过简单调试后，对该模块进行了测试。测试条件是:连续波工作，漏极Vds=26 V，栅极电压Vgs=－2.9 V。该放大器输出100 W时的效率测试曲线如图6所示，可见在0.96～1.25 GHz频率范围内效率大于50%。

图6 放大器效率测试曲线 6 结束语

给出可用于实际设计的方法和注意事项，对射频电路设计师的实践工作具有一定的帮助。从设计可以看出，GaN大功率器件在宽带和高效率应用中有着非常优异的表现，在L频段(0.96～1.25 GHz)可以达到连续波输出功率100 W，效率大于50%，验证了GaN功率器件的高效率特性。可以预测随着越来越多的新型GaN功率器件的面世，相对传统的双极型晶体管和MOSFET场效应管的优势将更大，从而能更好地满足未来通信对抗系统高效率的要求。 参考文献

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