S波段GaN内匹配功放管

王乐乐，钟世昌，谢凌霄，鞠久贵

（南京电子器件研究所，南京210016）

S波段GaN内匹配功放管

王乐乐，钟世昌，谢凌霄，鞠久贵

（南京电子器件研究所，南京210016）

实现了一款应用于S波段雷达系统的GaN HEMT内匹配功放。以小信号S参数和Load-pull结果为基础进行内匹配电路设计和仿真，采用单个24 mm GaN HEMT管芯实现大功率输出。使用微波仿真软件ADS进行输出匹配和小信号仿真和优化，得到良好的仿真结果并给出最终的测试数据。在34 V漏电压、1 ms周期、10%占空比的测试条件下，40 dBm输入功率时，2.7～3.1 GHz频率范围内，输出功率超过170 W，功率附加效率超过55%。

氮化镓高电子迁移率晶体管；内匹配；功率放大器；S波段

1 引言

氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带半导体的一员，相较于第一代半导体Si和第二代半导体GaAs有许多突出的优势，尤其是在功率放大器的应用方面[1～2]。半导体厂商们相继推出S波段的GaN HEMT功放产品，如Wolfspeed公司（原Cree公司的Wolfspeed Power&RF部门）推出的S波段百瓦级功放管，其输出功率为150 W，效率为50%；Sumitomo公司也推出了工作电压50 V的S波段功放管，效率在55%以上。

很多半导体厂家并不提供设计功放所需要的功率管芯的大信号模型。MA/COM等军用放大器生产厂商通常是拿不到管芯模型的，依据小信号S参数以及厂商提供的点频阻抗进行设计的模式目前依然有一定的应用空间。

本文基于GaN HEMT管芯，依据小信号S参数和Load-pull系统进行功率放大器的设计。使用单个24 mm栅宽GaN HEMT管芯，在漏极电压为34 V的条件下，实现2.7～3.1 GHz频带内饱和输出功率170 W以上，附加效率55%。

2 GaN HEMT管芯

GaN HEMT的材料为GaN和AlGaN，通过在GaN晶体上面生长一层AlGaN的薄层，在GaN和AlGaN的分界面处将会产生应变，该应变引起补偿二维电子气（2DEG）。当在其两端施加电场时，该2DEG能够很有效地传导电子。由于零栅压下2DEG就已存在，且施加漏极工作电压后电流较大，因此GaN射频功率放大器芯片栅极工作电压为负压，且它的功率增益从小信号开始就有压缩。本文所用GaN HEMT管芯如图1所示，其I-V特性如图2所示。

图1 GaN HEMT管芯图

图2 管芯I-V特性曲线

由于测试设备自身的限制，栅宽越大，直接测得GaN HEMT管芯的参数也就越困难。通常是先测量小栅宽GaN HEMT管芯的参数，再通过叠加推得大栅宽GaN HEMT管芯的参数[5]。由于GaN HEMT管芯的参数并不是与栅宽呈严格的线性关系，因此通过叠加得到的大栅宽GaN HEMT管芯的参数会存在一定的误差，使仿真结果与实际情况出现一定的偏离。内匹配电路中通常会设置一些调配块来调节匹配电路，减少乃至消除设计仿真和制作生产阶段引入的误差和一些不稳定的因素。

管芯的输入输出阻抗通过负载牵引测试获得。在本文的频率范围内，输出阻抗近似等效为一个电阻和一个电容并联，如图3所示，每毫米栅宽的阻值约100 Ω，容值约0.5 pF。

图3 简化的GaN HEMT输出阻抗电路模型

3 内匹配电路的设计

大栅宽管芯使功率器件输入、输出端口的阻抗变得很低，因此在设计和使用时，输入、输出引线微小的变化就会对电路产生很大的影响，管壳以及其他寄生参数对电路性能的影响也变大，这样一来直接采用管壳外的匹配方法（外匹配）无法得到较大的功率输出，甚至有时电路还无法正常工作。解决的方法是在封装管壳内部引入匹配电路。内匹配技术是实现大功率器件的核心技术之一。内匹配技术的本质就是阻抗匹配，即负载阻抗与激励源阻抗相互适配，得到最大功率输出的一种工作状态。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源电阻时，则输出功率最大，这种状态称为匹配，否则称为失配。当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成分时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与信号源内阻抗必须满足共轭关系，即电阻成分相等、电抗成分绝对值相等而符号相反。这种匹配条件称为共轭匹配[3]。

射频和微波频段需要考虑管芯的寄生电容等，因此管芯的输入输出阻抗中包含电抗成分。管壳的输入输出是标准的50 Ω管脚，两者阻抗不满足共轭匹配条件，需要在管芯和管脚之间加一个阻抗变换网络，实现阻抗匹配。本文中内匹配是设计管芯与管脚之间的阻抗变换网络。

图4 内匹配功放原理拓扑示意图

图4是采用单个24 mm栅宽GaN HEMT管芯的内匹配电路拓扑结构图[4]。匹配电路采用两路并联的结构，以减小匹配电路的设计难度。输入端采用功分器将输入功率平分到并联的两路L-C中，输出端采用耦合器将功率合并后输出。本文中功分器和耦合器同时也是输入输出匹配网络的一部分，具有阻抗匹配的作用。输入匹配网络中的RC串联结构，起到提高功率放大器稳定性和调节增益的功能。

首先用管芯的等效输出阻抗进行输出匹配。输出匹配电路的电磁仿真结果如图5所示。其正向传输参数|S(2,1)|控制在0.1以内，并且在带内使|S(2,1)|尽可能小。

图5 输出匹配电路电磁仿真结果

输出匹配电路确定后，再结合小信号S参数进行输入匹配。对整个电路进行Momentum仿真，图6为输入反射系数与小信号增益电磁仿真结果。

图6 输入反射系数与小信号增益电磁仿真结果

图7 内匹配功率管照片

输入输出电路、管芯、旁路电容用金锡焊料烧结在特制的管壳内，图7是装配完毕后放大器的实物照。功分器、合成器和感性匹配微带制作在介电常数为9.6、厚度为380 μm的陶瓷片上。容性匹配微带制作在介电常数85、厚度180 μm的陶瓷片上。为匹配微带，管芯等用290℃金锡焊料烧结在高导热功率管壳中以降低热阻，并用金丝键合。

4 测试结果与分析

对功率放大器进行一定的调试，使其达到所需的性能。调试输入匹配主要影响功率放大器的小信号增益和带宽，调试输出匹配主要影响功率放大器的输出功率。测试所用的测试架版图和实物图如图8所示。测试架所用介质材料是Rogers5870，厚度为0.508 mm。

对功率管进行测试，测试条件为栅电压-2.3 V、漏电压34 V、周期1 ms、占空比10%。输入功率恒定为40 dBm时，其输出功率与附加效率测试结果如图9所示。在2.70～3.10 GHz频率范围内，输出功率在170 W以上，2.85 GHz和2.90 GHz达到最大值187 W，带内平坦度小于0.4 dBm。各频点附加效率均在55%以上。

图8 测试架版图和实物图

图9 输出功率Pout与附加效率PAE测试结果

图10为2.9 GHz频点下输出功率和附加效率随输入功率变化的情况。从图中可以看出，随着输入功率的增加，输出功率与附加效率逐渐增大，功率开关的增益逐渐压缩。在输入功率较小时，输出功率有轻微压缩，在输入功率大于36 dBm时，压缩越来越明显。输入功率达到40 dBm时，输出功率达到饱和，若再增加输入功率，输出功率则会出现一定程度的反压缩。

图10 2.9 GHz频点输出功率Pout与附加效率PAE随输入功率Pin变化图

5 结论

本文基于大栅宽GaN HEMT管芯实现了34 V条件下的S波段内匹配功率放大器的设计，在频带范围内输出功率大于170 W，功率附加效率超过55%，体现了GaN HEMT在S波段大功率应用上的优势。

[1]Milligan J W,Sheppard S,Prible W,et al.SiC and GaN wide bandgap device technology overview[C].Proceedings of IEEE Radar Conference,Boston MA,2007:960-964.

[2]Tsuyama Y,Yamanaka K,Namura K,et al. Internally-matched GaN HEMT high efficiency power amplifier for SPS[C].Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium,San Francisco,2006: 722-725.

[3]Reinhold Ludwig,Gene Bogdanov.RF Circuit Design Theory and Applications[M].Second Edition,Pearson Education,Inc,2009.

[4]任春江，王泉慧，刘海琪，等.0.5 μm AlGaN/GaN HEMT及其应用[J].固体电子学研究与进展，2011，31(5)：433-437.

[5]钟世昌，陈堂胜，张斌，等.八胞合成X波段140 W AlGaN/GaN HEMT的研究与应用[J].固体电子学研究与进展，2011，31(5)：442-444.

Design and Implementation of an S-Band 150 W GaN with Internally Matched Power Amplifier

WANG Lele,ZHONG Shichang,XIE Lingxiao,JU Jiugui
（Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China）

The paper describes a GaN HEMT with internally matched power amplifier for S-band radar applications.The design and simulation of internally matched network is based on small-signal S-parameters and Load-pull result.By using a 24 mm GaN HEMT,the internally matched power amplifier demonstrates a high output power performance.Simulation and optimization of output matching network and small-signal are performed with microwave simulation software ADS.Simulation results are obtained and the test data are then presented.During its working band of 2.7 GHz to 3.1 GHz,the output power is exceeds 170 W with PAE 55% under conditions of34 V drain voltage,1 ms period,10%duty ratio and 40 dBm inputpower.

GaN HEMT;internalmatching;power amplifier;S-band

TN323+.4

A

1681-1070（2017）05-0033-04

王乐乐（1990—），男，安徽阜阳人，2012年毕业于电子科技大学微电子与固体电子学院，获集成电路设计及集成系统学士学位，现为南京电子器件研究所在读研究生，研究方向为射频电路。

2017-1-10