引言

隨著無線通訊技術發(fā)展的突飛猛進，作為其重要部件的功率放大器的需求也日益增多，頻率更高和功率更大的器件已成為目前各國研究的主要熱點之一。GaN材料是第三代寬禁帶半導體材料的典型代表，其禁帶寬度大、耐高壓、耐高溫、抗輻射，非常適合制備高頻、高壓、高溫、大功率、抗輻射的新一代微波功率器件和電路。與傳統(tǒng)的第一代半導體Si和第二代半導體GaAs相比，GaN材料具有更大的禁帶寬度和更高的電子飽和漂移速度，GaN基材料異質結構具有更高的擊穿電壓和二維電子氣濃度，以GaN異質結晶體管為核心元件制備的功率放大器具有更高的工作電壓、更大的輸出功率和更高的效率，在軍用和民用領域有著廣闊的應用前景，受到世界各國的高度重視。目前，新一代GaN基微波功率器件和電路的研究已經成為國際上微波功率領域的主要研究熱點和重要發(fā)展方向，是各國競相搶占的新的戰(zhàn)略技術制高點。

近年來GaN基功率放大器的研究進展很快。在國外,2008年，富士通公司的KazukiyoJoshin等人報道的GaN功率放大器在2.5GHz工作頻率下的輸出功率為45dBm,線性增益為17.2dB,漏極效率為50%；009年，C.Meliani等人運用4管功率合成技術，在2~10GHz頻段下，其小信號增益為7~11dB,輸出功率為2.5~4.5W,在最大輸出功率情況下,功率附加效率超過20%；010年，Army研究實驗室的AliM.Darwishl等人報道了0.1~20GHz的GaN基寬帶放大器,增益為(10±2)dB。在國內，2008年，中科院微電子所的曾軒等人采用內匹配功率合成技術設計了基于GaNHEMT的X波段內匹配功率合成放大器，在8GHz測出連續(xù)波飽和輸出功率達到Psat=40dBm(10W),最大PAE=37.44%,線性增益為9dB[7]；009年，中電13所的顧衛(wèi)東等人研制的總柵寬為25.3mm的四胞內匹配器件X波段的輸出功率達到141.25W,線性增益大于12dB,PAE達到41.4%；010年，南京電子研究所的孫春妹等人研究了內匹配電路的設計，在12GHz時的功率增益大于5dB,功率附加效率為29.07%。

本文運用功率合成技術設計了一種X波段GaN基微波功率放大器，并解決了大功率大柵寬器件功率合成問題和奇模振蕩問題。當七s=-3.2V,VDS=6V,1ds=200mA時，在8GHz時的仿真增益為20.80dB,飽和輸出功率可達到35.268dBm(約為3.36W)。

1器件制備

本設計所采用的GaNHEMT管芯由筆者所在實驗室自主研制，其器件樣品設計圖如圖1所示，其中圖1(a)是其結構示意圖，該器件的襯底是S1C材料，其熱導率比Si和藍寶石高得多，非常適合做大功率器件的襯底。緩沖層是2.5nm的GaN層，目的是提高上層20nm的1-GaN的生長質量。AlGaN勢壘層厚度為25nm,Al組分為0.28,源漏電極采用T1/Al/N1/Au多層金屬，柵極為Ni/Au。圖1(b)為GaNHEMT器件實物圖，該器件柵長0.25um,柵寬10X100um,柵源距1um和柵漏距3um。

(b)實物圖

圖1  GaNHEMT器件樣品設計圖

為了獲得較好的線性度，設計采用A類功率放大器設計。圖2所示是器件的輸出和頻率特性曲線。其中圖2(a)器件輸出特性曲線，在么=-2V的飽和電流為Tdsat=495.8mA，使用時可取Vgs=-3.2V，Vds=6V,么=200mA為直流靜態(tài)工作點。利用網絡分析儀對該器件進行小信號測試，并利用S參數得到器件的截止頻率/T=26GHz,最高振蕩頻率fm,=35GHz。可見,該器件具有較好的頻率特性，適合在X波段進行功率放大器設計。

2電路設計與仿真結果

本設計從傳統(tǒng)的功率放大器著手，同時針對GaNHEMT器件的特點，在X波段對微波單片電路展開了相應的研究。具體設計流程是：首先確定設計目標，根據設計目標選定合適的功率器件，并確定設計功放類型和工作點；然后選擇合適的偏置網絡和穩(wěn)定性網絡，并進行匹配網絡設計;再結合電磁場聯(lián)合仿真優(yōu)化電路得到理想的結果；最后完成該功率放大器的版圖設計。

圖3所示是該放大器的拓撲結構圖，整體拓撲結構大致分為輸入匹配、輸出匹配、級間匹配和偏置四個部分，器件前面加有RC穩(wěn)定網絡，相鄰上下器件加有隔離電阻，輸入和輸出端分別加入一個隔直電容。圖中的T1~T6為使用的GaNHEMT晶體管。輸入和輸出匹配電路的目的分別是將源阻抗和漏阻抗匹配到50Q；級間匹配的主要作用是在不產生明顯功

率反射的情況下，將前后兩級連接起來。

(a)輸出特性曲線

f/GHz

(b)頻率特性曲線

圖2     器件的輸出特性和頻率特，性曲線

圖3  功率放大器拓撲結構圖

當電=-3.2V,Vds=6V,頻率為8GHz時，該功率放大器電路穩(wěn)定因子K曲線如圖4所示。根據穩(wěn)定因子K的仿真結果，在整個頻段上,K>1,表明電路絕對穩(wěn)定。在設計過程中,為了增加電路的穩(wěn)定性，減小電路發(fā)生振蕩的可能性，設計時首先在器件輸入端增加了并聯(lián)的RC有耗網絡。RC有耗網絡可以抵消輸入端的負阻，提高整個電路的穩(wěn)定性。另外，引入的RC網絡會增加輸入端的插入損耗，所以，電阻R值需要優(yōu)化，以使得引入的插入損耗最小。然后在樹狀微帶線電

路間并聯(lián)隔離電阻來壓制由于各支路相位不平衡而可能導致的奇模振蕩口。圖5所示是功率放大器在8GHz時的功率增益和輸出功率特性。由圖可見，器件在8GHz時的輸出功率最大值為35.268dBm（約為3.36W左右）,主要是因為漏電壓比較低，所以輸出功率比較小，整體達到功率合成的效果。

圖4     功率放大器穩(wěn)定因子K仿真結果

圖5     功率放大器在8GHz時的功率增益和輸出功率特性

圖6所示是上述放大器的設計版圖。由于微帶線都是采用50Q特征阻抗，版圖面積為15mmX8mm,在后續(xù)設計中,也可改用其它特征阻抗以縮小版圖面積。在版圖設計中，首先是布局要盡量合理；其次是微帶線的走線，無源元件要和其它元件保持適當距離；再次是在縮小芯片面積的同時，還要考慮無源元件之間、無源元件與有源器件之間的互干擾效應。由于在仿真過程中，對用于匹配設計的無源元件，無論是布局還是微帶線長度與布線，都在ADS中進行了電磁場仿真分析,并帶入原理圖進行了仿真并反復優(yōu)化，所以，版圖與原理圖相互對應，從而提高了電路設計的精度。

3 結論

該設計基于本實驗室自制的GaNHEMT晶體管，成功設計了X波段兩級二推四的功率放大器，同時解決了大功率大柵寬器件功率合成問題和奇模振蕩問題。在偏置W-3.2V,，ds=6V,，ds=200mA的情況下，在8GHz時,仿真得到的增益為20.380dB,連續(xù)波飽和輸出功率可以達到Psat=35.268dBm（約為3.36W）,整體可以達到功率合成的效果。

20210907_61371d612fd1d__X波段GaN基微波功率放大器的設計