一种S波段宽带GaN放大器的设计

2011-07-08 16:44:31来源: 互联网

摘要:氮化镓功率管的宽带隙、高击穿电场等特点,使其具有带宽宽,高效特性等优点。为了研究GaN功率放大器的特点,使用了Agilent ADS等仿真软件,进行电路仿真设计,设计制作了一种S波段宽带GaN功率放大器。详述了电路仿真过程,并对设计的宽带GaN功率放大器进行测试,通过测试的实验数据表明,设计的宽带放大器在S波段宽带内可实现功率超过44 dBm的功率输出,验证了GaN功率放大器具有宽带的特点。
关键词:GaN;平坦度;仿真设计;宽禁带;半导体;功率放大器

0 引言
    新一代半导体功率器件主要有SiC场效应晶体管和GaN高电子迁移率晶体管。有别于第一代的Si双极型功率晶体管和第二代GaAs场效晶体管,新一代SiC和GaN半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高功率密度以及抗辐射能力强等优点,理论上特别适合应用于高频、高功率、抗辐射的功率器件的场合。由于具备这些优点,宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能,广泛应用于雷达、通信、战斗机、海洋勘探等重要领域。本文使用Agilent ADS仿真软件设计实现一款GaN宽带功率放大器,并对放大器进行了详细测试,验证了放大器在S波段2GHz带宽内的宽带性能。

1 设计目标
    设计一款S波段宽带放大器,满足如下指标:
    工作频率:S波段;
    工作带宽:±1 000 MHz;
    输出功率:≥44 dBm;
    效率:≥30%。

2 宽带放大器设计
2.1 功率器材的选择
    为了在S波段2 GHz带宽内输出25 W的功率,对射频功率管有一定的要求:例如低的输出寄生电容、导通电阻等。常用的硅双极管由于单管胞输出功率有限,在高输出功事下,多管胞合成后的特性不能满足宽带设计要求。因此,具有较高功率密度、低导通电阻、低寄生电容、高输出阻抗的宽禁带器件是实现该设计的首选。
    基于GaN器件的宽带功率放大器,国外公开的报道已经完成了三代基于管芯的宽带功放研制。第一代功率放大器采用改进的行波放大器结构,带宽为1~8 GHz,小信号增益为7 dB,Vds=18 V时输出功率3.6 W;第二代功率放大器采用LCR匹配,并使用2个Wilkinson合成器实现4路合成,带宽3~10 GHz,小信号增益是7 dB,在8 GHz处最高输出功率可达8.5 W,功率附加效率达到20%;第三代功率放大器采用改进的2x2矩阵行波功率放大器结构,带宽1~6 GHz,输出功率7.5 W,功率附加效率达到25%。
    然而由于宽禁带固态器件目前还处于迅速发展阶段,且在军事及航空航天领域的应用潜力,导致高频、大功率、管芯等器件还处于禁运状态,因此该设计使用的宽禁带功率管为允许对国内销售的货架产品。经综合比较,选定的器件指标如表1所示。

b.jpg


2.2 ADS射频仿真
    经典的宽带匹配理论由H·W·Bode发表于1945年,他应用环路积分的方法对RC并联负载计算了匹配网络的增益带宽积,证明其小于等于一个常数。其后R·M·Fano,D·C·Youla等人进一步发展了宽带匹配理论。然而,在工程应用设计中,设计一个宽带功率放大器,需要在宽带匹配理论的基础上,兼顾其拓扑结构、宽带匹配网络和宽带偏置网络等;因此,该设计将基于功率匹配的概念,利用大信号下的输入/输出阻抗、精确的非线性模型、谐波平衡仿真、负载牵引仿真设计等,实现目标频段的射频性能。
    在仿真设计过程中,单节拓扑结构电路因其本身Q值较高,匹配的频率范围窄,只有在窄频范围内匹配较好,不能用于宽带匹配。因此,只能利用结构复杂的多节拓扑结构电路进行匹配,并利用负反馈技术提高稳定性和拓展带宽。多节匹配电路的特点相对于单节电路结构复杂,占用几何空间大,可控变量多,仿真分析需要更多时间,但其优点是能够在更宽的带宽中寻求更好的匹配设计。
    在多支节匹配网络中,输入端各有多段微带线,每个微带线有长度和宽度两个变量,这样在输入端和输出端都有多个可控变量,进行ADS优化仿真设计。在阻抗匹配电路的设计时,实际上是通过共轭匹配将要匹配的器件的端口逐渐匹配到50 Ω的特性阻抗上。又因为一般器件的输入/输出阻抗在射频频段内是随着频率的变化而变化的,所以在用分布参数进行电路匹配时,不可能在所要求的频段内达到完全的匹配,在宽带要求的情况下,更加难以实现。

因此,只能采用一些拓扑结构形式,设计出符合指标的匹配电路,才可以将输入/输出阻抗匹配到50 Ω的特性阻抗上。
    构建的匹配电路仿真模型如图1所示。

c.jpg


    在电路的仿真设计中,对功率管进行静态工作点设置、稳定性分析后,利用负载牵引仿真,确定输出阻抗,再利用原牵引仿真确定输入阻抗。在兼顾功率及效率的情况下,考虑实际馈电电路的影响后,对设计好的宽带匹配电路进行大信号S参数、谐波平衡等仿真优化。通过仿真优化,在S波段2 GHz带宽频带范围内(f1~f9),仿真结果如图2所示。

d.jpg


    功率管的最高频率点F9附近容性特征比较明显,从仿真图也可以看出,在高频率点F9附近的增益较小。在增加带宽的情况下,损失了一部分的增益和效率。
2.3 制作匹配微带版图
    根据仿真结果,该放大器的匹配电路版图,如图3所示。

e.jpg

2.4 宽带放大器测试
    设计的宽带放大器在S波段2 GHz带宽内的功率输出大于44 dBm,增益大于7.2 dB,带内增益起伏为1.4 dB,达到设计目标。测试结果如表2所示。

f.jpg


    此宽带放大器在确保散热良好的情况下,具有连续波工作能力。脉宽300 μs占空比20%。宽带放大器实物图如图4所示,仪表测试如图5所示。

a.JPG



3 结语
    本文对宽带放大器进行了计算机模拟仿真,详述了电路仿真过程,并对设计的放大器电路进行测试。实验数据表明设计的放大器在S波段2 GHz带宽内可实现功率超过44 dBm的输出,验证了GaN功率放大器的宽带特性。给出了可用于实际设计的方法,对宽带放大器设计实践工作具有一定的帮助。

关键字:设计

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0708/article_7078.html
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