VHF 600 WGaN功率模塊研制

王建浩，劉 雪，王 琪，戈 碩，唐厚鷺

(南京電子器件研究所，南京 210016)

1 引言

第三代半導(dǎo)體擁有寬禁帶寬度、高擊穿場強(qiáng)、高熱傳導(dǎo)率和高電子漂移速度等優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地滿足高溫、高頻等應(yīng)用要求。近年來，以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體取得了蓬勃的發(fā)展，GaN功率管在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛[1-5]。

本文設(shè)計了一種基于GaN工藝的VHF頻段高增益高效率功率放大模塊。模塊采用三級放大結(jié)構(gòu)，分別采用了高增益GaAs單片、GaN內(nèi)匹配小功率管，GaN大功率管。為進(jìn)一步減小模塊體積，本文將高增益GaAs單片、GaN內(nèi)匹配小功率管采用內(nèi)匹配方式，形成一個高增益GaN驅(qū)動模塊，末級采用推挽結(jié)構(gòu)電路，實(shí)現(xiàn)模塊高增益、高效率、大功率輸出。

2 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 增益分配

功率模塊輸入功率5 dBm，輸出功率大于57 dBm，增益大于52 dB。模塊采用3級直接級聯(lián)放大，具體增益分配如圖1所示。

圖1 功率放大模塊增益分配示意圖

由圖1可以看出，模塊由3級組成，每級增益分別是19 dBm、17 dBm、16 dBm。

1）P1：寬帶GaAs單片，體積小，增益高，在DC～3 GHz可以提供24 dBm的功率輸出，為中間級提供足夠的驅(qū)動功率。

2）P2：基于2 mm×2.4 mm GaN管芯的內(nèi)匹配功率放大電路，單級在VHF頻段可以提供不小于42 dBm的輸出功率。

3）P3：采用大功率GaN功率管，這是本次設(shè)計的核心部分，功率管內(nèi)匹配采用2個GaN管芯并聯(lián)預(yù)匹配方式，外匹配電路輸入輸出電路均采用了推挽結(jié)構(gòu)的匹配設(shè)計，是模塊實(shí)現(xiàn)高輸出功率、高工作效率的最終體現(xiàn)。

2.2 模塊整體設(shè)計

本文設(shè)計的模塊尺寸不大于90 mm×50 mm×18 mm，模塊襯板是鋁制金屬一體化設(shè)計，兼顧剛度、強(qiáng)度以及散熱性能。射頻輸入和直流加電端口采用絕緣子，射頻輸出采用50Ω微帶線結(jié)構(gòu)。模塊電路由射頻電路和調(diào)制電路組成，實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 模塊正面圖

調(diào)制電路采用雙面布局，最大化減小面積。驅(qū)動模塊包含P1、P2兩個部分，尺寸為24 mm×17.4 mm×4.4 mm，采用金屬陶瓷封裝管殼。GaN功率管采用金屬陶瓷封裝管殼，尺寸為30.2 mm×10.3 mm×5 mm。

3 驅(qū)動模塊設(shè)計

要實(shí)現(xiàn)高效率、高增益的產(chǎn)品性能，需要對GaN管芯進(jìn)行匹配電路設(shè)計。本項(xiàng)目針對高性能以及高穩(wěn)定性的要求，輸入輸出匹配電路均采用傳統(tǒng)的分立式匹配方法，因?yàn)閹捿^窄，只需要經(jīng)過一級LC阻抗變換就可實(shí)現(xiàn)輸入輸出端口的阻抗提升至50Ω。最后針對高效功放的要求再對輸出匹配電路設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)性能的最佳。

采用兩只2.4 mm的GaN功率管芯進(jìn)行輸入輸出匹配，實(shí)現(xiàn)放大器功能，其電路拓?fù)淙鐖D3所示。通過ADS對拓?fù)溥M(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

從仿真結(jié)果可以看出，驅(qū)動模塊在220～270 MHz頻帶內(nèi)有很好的微波性能，能夠滿足模塊一、二級直接級聯(lián)的級間駐波要求。

4 第三級放大電路設(shè)計

4.1 GaN功率管芯的選擇

第三級大功率GaN功率器件是模塊研制的核心，是實(shí)現(xiàn)模塊高效率、大功率輸出的終端。南京電子器件研究所自主研發(fā)生產(chǎn)的GaN功率管管芯工作電壓在46 V下，功率密度能夠達(dá)到6.5 W/mm[6]，模塊設(shè)計需要600 W功率輸出，至少選擇93 mm的管芯?？紤]合成的效率以及損耗等綜合因素，功率管選擇采用2個54 mm管芯并聯(lián)、總柵長108 mm的方案。

圖3 第二級放大器的電路結(jié)構(gòu)

圖4 二級放大器的電路仿真結(jié)果

4.2 內(nèi)匹配電路設(shè)計

4.2.1 輸入內(nèi)匹配設(shè)計

輸入內(nèi)匹配通過陶瓷片電路提升阻抗，并在陶瓷片電路上串聯(lián)體電阻，體電阻起到了調(diào)節(jié)增益和穩(wěn)定電路的作用，另外在輸入匹配中還引入了貼片電容，以起到去耦作用，如圖5所示。

圖5 輸入預(yù)匹配示意圖

4.2.2 輸出內(nèi)匹配設(shè)計

模塊工作在VHF波段，傳統(tǒng)輸出匹配需要長距離和高弧度的諧振金絲，功率管內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)。另外，功率管功率高，通過諧振金絲的電路會很大，采用“金絲+電容”的諧振電路來匹配顯然已經(jīng)不合適了。GaN功率管輸出阻抗比輸入阻抗高很多，一般情況下，在P波段以下輸出通常不作內(nèi)匹配設(shè)計。

4.3 外匹配電路設(shè)計

輸入輸出匹配電路均采用推挽結(jié)構(gòu)，推挽電路平衡-不平衡的轉(zhuǎn)換通過25Ω的同軸電纜實(shí)現(xiàn)，同時配合一些電容的使用也能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗變換。管芯到巴倫線的匹配采用多節(jié)阻抗變換。54 mm管芯模型通過27個2 mm管芯S參數(shù)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。匹配電路采用ADS進(jìn)行仿真，電路原理和仿真結(jié)果如圖6（a）和圖6（b）所示。

從仿真結(jié)果看，末級匹配電路在220～270 MHz頻率內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)大于18 dB的增益；電路回波損耗小于-15 dB，滿足模塊二、三級直接級聯(lián)的駐波要求。

圖6 第三級電路輸入輸出匹配原理及仿真結(jié)果

5 研制結(jié)果

在額定的工作條件下（源漏電壓46 V，工作脈寬3 ms，占空比30%，輸入功率5 dBm）進(jìn)行測試，在約220～270 MHz頻帶內(nèi)研制的模塊輸出功率大于600 W、功率增益大于52 dB、漏極附加效率大于75%。表1為模塊實(shí)現(xiàn)的主要參數(shù)指標(biāo)，圖7為模塊測得的效率、功率曲線。

表1 主要參數(shù)測試結(jié)果

圖7 輸出功率和效率測試結(jié)果

6 結(jié)論

本文報道了一款米波段高集成、高功率、高附加效率的功率模塊電路的設(shè)計與研制。模塊通過內(nèi)匹配和同軸巴倫電路相結(jié)合的形式，通過三級級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了在46 V工作電壓、3 ms脈寬、30%占空比的條件下，約220～270 MHz頻段脈沖功率輸出大于600 W，功率增益大于52 dB，漏極附加效率大于75%。模塊的性能及可靠性已經(jīng)能夠滿足工程化應(yīng)用的需求。該研制結(jié)果顯示了基于GaN HEMT的微波功率管在米波段長脈寬、大功率、高效率的應(yīng)用優(yōu)勢，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。