引言

在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中，功率放大器是其主要的組成部分,它的性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，影響巨大。在雷達(dá)的主要部件一TR組件設(shè)計(jì)中，要求高功率和體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、低成本。人們對(duì)通信系統(tǒng)的質(zhì)量和業(yè)務(wù)范圍也要求越來(lái)越高。隨著半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展，電路集成度的迅速提高，人們對(duì)微波組件性能的期望值也越來(lái)越高。特別是對(duì)微波功率放大器，人們總希望其頻帶越來(lái)越寬、功率越來(lái)越大、通用性越來(lái)越強(qiáng)。GaN材料作為第三代半導(dǎo)體的代表，具有大帶寬、高飽和電子漂移速率和高擊穿電子強(qiáng)度等顯著特點(diǎn)。GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)理論上可以實(shí)現(xiàn)更大的輸出功率、更高的工作效率以及更高的抗輻照能力，代表固態(tài)微波器件的發(fā)展方向。以氮化傢(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體射頻微波器件必將在雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信系統(tǒng)中取得廣泛的應(yīng)用，而且也將解決航空航天電子設(shè)備等方面的難題。

本文采用CREE公司的GaN管芯CGH60120D，采用ADS負(fù)載牽引技術(shù)設(shè)計(jì)C波段的微波功率放大器，其發(fā)射功率接近100W。

1理論基礎(chǔ)

功率放大電路設(shè)計(jì)包括同時(shí)提供準(zhǔn)確的有源器件建模、有效的阻抗匹配(依賴(lài)于技術(shù)要求和工作條件)、工作的穩(wěn)定性并易于實(shí)現(xiàn)等。功率放大器的設(shè)計(jì)品質(zhì)的評(píng)估是在穩(wěn)定工作條件下使得放大器級(jí)數(shù)最少、實(shí)現(xiàn)功率增益最大。為了穩(wěn)定工作，必須計(jì)算有源器件潛在的不穩(wěn)定工作的頻域。為了避免寄生振蕩，需要討論不同頻率范圍(從低頻到靠近器件的特性頻率)的穩(wěn)定電路技術(shù)。功率放大器的關(guān)鍵參數(shù)是它的線性度,這個(gè)參數(shù)對(duì)移動(dòng)通信應(yīng)用是非常重要的。另外，功率放大器的其他參數(shù)有最大輸出功率、效率、1dB壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)點(diǎn)等。器件的偏置條件決定了工作狀態(tài)。

2直流仿真

放大器要想工作在正常狀態(tài)，就必須確定一個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)，通過(guò)直流仿真了解功放管的靜態(tài)工作點(diǎn)，確定如圖1所示的、正確的偏置和器件靜態(tài)IV曲線。

根據(jù)CGH60120D的資料顯示，該器件典型工作狀態(tài)下的漏級(jí)電壓為28V，靜態(tài)電流為1.219A，圖1中，橫坐標(biāo)為漏級(jí)電壓，縱坐標(biāo)為電流值，在Vg為28V的不同曲線中找到能夠使漏極電流為180mA的點(diǎn)，這時(shí)的柵極電壓為一2.8V，這樣便確定了晶體管的2個(gè)供電電壓值。

圖1直流IV曲線

3穩(wěn)定性

功率放大電路設(shè)計(jì)的目的在于在預(yù)先估計(jì)穩(wěn)定度并給定輸出功率值的情況下，得到最大功率增益和效率。功率放大電路的不穩(wěn)定性導(dǎo)致不希望的寄生振蕩，使得輸出信號(hào)失真。放大電路不穩(wěn)定的主要原因之一是通過(guò)有源器件的內(nèi)在電容、內(nèi)在電感，以及外部電路元件，由輸出端正反饋到輸入端口。因此，任何功率放大電路，特別是在射頻和微波頻率，穩(wěn)定性分析是非常關(guān)鍵的叫圖2所示是其電路的穩(wěn)定因子圖。

圖2電路穩(wěn)定因子圖

由圖2可以看出，在5GHz時(shí),該電路的穩(wěn)定因子為2.925,大于1,可知此電壓下，其電路是穩(wěn)定的。

4負(fù)載牽引

功放的輸出功率主要取決于有源器件的負(fù)載阻抗，通過(guò)改變不同的負(fù)載阻抗值，測(cè)試功放的性能，這就是負(fù)載阻抗?fàn)恳?。同理改變?cè)醋杩沟闹祦?lái)獲得功放不同的性能叫做源阻抗?fàn)恳４罱ㄒ惶讓?shí)際的負(fù)載（源）阻抗?fàn)恳到y(tǒng)是很困難而且代價(jià)昂貴的，但是隨著微波EDA技術(shù)的發(fā)展，利用軟件仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載（源）阻抗?fàn)恳呛芊奖愕慕杏肁DS軟件中的LoadPull模塊對(duì)管芯進(jìn)行負(fù)載牽引情況如圖3所示。

由圖3中可得出其最佳負(fù)載阻抗為1.614+j*1.604。下來(lái)就可根據(jù)阻抗匹配理論，在smithchar對(duì)輸出共扼匹配，利用微帶線完成匹配網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)在阻抗圓圖上的軌跡如圖4所示。

由圖4可以得出，該管芯的負(fù)載匹配電路如圖5所示。

把負(fù)載阻抗加入電路，再用同樣方法進(jìn)行源阻抗?fàn)恳?，并在smithchar完成匹配電路。最后把源阻抗也加入電路中，得到的整體電路如圖6所示。

而對(duì)整體電路進(jìn)行優(yōu)化后，再對(duì)整體電路進(jìn)行諧波平衡仿真，其功率仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看到，該電路的最佳輸出功率為49.644dBm，接近100W，因而可達(dá)預(yù)期的功率輸出。功放的效率仿真結(jié)果如圖8所示，可以看到，其效率值達(dá)到56.278%，符合功放設(shè)計(jì)的預(yù)期值。

5結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)CREE公司的CGH60120D氮化鎵管芯進(jìn)行負(fù)載牽引仿真，結(jié)果證明：此芯片設(shè)計(jì)下的C波段功率放大器的最佳功率能達(dá)到100W。可以滿(mǎn)足通信領(lǐng)域和雷達(dá)領(lǐng)域?qū)β史糯笃鞣糯笾档男枨蟆?

20211118_61963a0fc70fa__GaN管芯射頻功率放大器的研究