X波段氮化鎵高效率功率放大器MMIC

李文龍，陶洪琪，余旭明

（南京電子器件研究所 微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016）

0 引 言

微波系統(tǒng)中，末級(jí)功率放大器的性能對(duì)發(fā)射通道的特性起決定性作用。氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料，具有更高的效率、更高的熱導(dǎo)率、更高的功率密度和更大的禁帶寬度等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)線微波通信等民用、軍用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。

提高功放芯片附加效率，可以使芯片的耗散功率減小，同時(shí)也降低了芯片溫升，最終能有效提高芯片的可靠性?；诖?，研制高效率GaN功率單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuits，MMIC）對(duì)滿足新一代微波系統(tǒng)的需求有重要意義[5-7]。

本文基于0.25 μm柵長(zhǎng)的GaN HEMT工藝，使用損耗較低的電抗匹配結(jié)構(gòu)，采用三級(jí)放大電路拓?fù)?，保證電路增益同時(shí)拓展了帶寬。

1 電路設(shè)計(jì)

0.25 μm柵長(zhǎng)的GaN HEMT工藝管芯具有一定的功率密度，綜合考慮末級(jí)匹配損耗和所需輸出功率的大小確定末級(jí)管芯的總柵寬，放大器的級(jí)數(shù)由所需增益確定。前級(jí)推動(dòng)大小對(duì)放大器整體效率起到至關(guān)重要的作用。末級(jí)總柵寬確定的前提下，輸出功率存在上限，前級(jí)推動(dòng)偏小輸出功率不足，前級(jí)推動(dòng)偏大，總電流偏大，兩者都會(huì)降低效率。圖1所示為400 μm GaN HEMT管芯在10 GHz頻率下LoadPull仿真測(cè)試數(shù)據(jù)。前級(jí)管芯柵寬需要根據(jù)增益和功率密度合理選擇。如圖2所示，本文中末級(jí)管芯柵寬為3.6 mm，第二級(jí)管芯柵寬為0.6 mm，第一級(jí)管芯柵寬為0.3 mm。

圖1 400 μm GaN HEMT管芯loadpull仿真測(cè)試

圖2 管芯柵寬大小

本放大器采用微帶線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于頻率較高，微帶線距離不易過(guò)近，過(guò)近產(chǎn)生串?dāng)_的同時(shí)，所傳輸?shù)男盘?hào)也有一定程度的衰減[8]。漏偏置微帶線不僅參與匹配承受射頻信號(hào)，還需要直流加電，需要著重考慮線寬的耐電流能力，線寬不易過(guò)窄。著重考慮柵偏置穩(wěn)定性，采用有耗RC網(wǎng)絡(luò)。級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)和末級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)均為電抗匹配，減小輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，實(shí)現(xiàn)高增益。功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)不僅是用來(lái)進(jìn)行阻抗變換，同時(shí)它還制約著放大器的駐波比、功率增益、輸出功率以及功率附加效率等特性。

圖3所示為放大器的輸出匹配電路，C1、L1為漏偏置電容和漏偏置電感，和C2、C3、L2和L3共同組成末級(jí)輸出匹配電路，其中串聯(lián)電容C3在輸出端還起到隔直流防靜電的作用。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)將FET管芯最佳效率匹配時(shí)的阻抗變換到50 Ω輸出，仿真得到如圖4所示的末級(jí)匹配電路損耗和如圖5所示的單管胞最佳功率匹配位置、最佳效率匹配位置及輸出匹配電路阻抗位置。輸出匹配電路在8～12 GHz頻帶內(nèi)，匹配損耗不超過(guò)0.6 dB，并且兼顧最佳功率和最佳效率匹配，具有寬頻帶、低損耗的特點(diǎn)。

圖3 末級(jí)輸出匹配電路拓?fù)?/p>

圖4 末級(jí)輸出匹配電路仿真損耗

圖5 最佳效率匹配、最佳功率匹配及輸出匹配阻抗位置

減小匹配電路損耗是提高效率的重要方法，但存在一定的局限。在末級(jí)輸入端引入二次諧波控制技術(shù)，可以使芯片效率在基波匹配的基礎(chǔ)上獲得較大提升。如圖6所示，漏極電壓電流在時(shí)域上的波形交疊區(qū)域越少，芯片直流功耗越小，相應(yīng)的效率就越高。末前級(jí)引入的二次諧波阻抗匹配LC支節(jié)，如圖7所示。

圖6 漏極電壓電流的時(shí)域仿真波形

圖7 二次諧波匹配示意圖

2 測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的芯片傳輸方向長(zhǎng)度為2.8 mm，垂直傳輸方向的寬度為2.4 mm。根據(jù)芯片尺寸設(shè)計(jì)了X波段測(cè)試夾具，HFSS仿真夾具模型無(wú)諧振頻點(diǎn)。實(shí)物及測(cè)試夾具照片如圖8所示。信號(hào)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。測(cè)試結(jié)果表明，該放大器在8～12 GHz頻段內(nèi)，小信號(hào)增益＞30 dB，脈沖飽和輸出功率達(dá)到22 W，全頻段附加效率＞51%，9.5 GHz最高效率達(dá)到57%。連續(xù)波飽和輸出功率大于20 W，全頻段附加效率＞46%。與其他相關(guān)產(chǎn)品的比較如表1所示，具有較高的效率。

表1 主要性能比較

圖8 芯片實(shí)物及測(cè)試夾具

圖9 信號(hào)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 論

本文基于0.25 μm GaN HEMT工藝設(shè)計(jì)了一款8～12 GHz 20W功率放大器芯片，設(shè)計(jì)了一種寬帶低損耗輸出匹配電路，并將電容分為兩個(gè)電容串聯(lián)的形式，明顯降低了電容上下極板的電場(chǎng)強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果表明，8～12 GHz頻帶內(nèi)，10%占空比條件下，測(cè)得功率達(dá)到20 W，效率≥51%，最高效率達(dá)到57%。連續(xù)波測(cè)試功率典型值為20 W，附加效率＞46%，最高附加效率達(dá)到53%，熱阻典型值2.5 ℃/W，附加效率指標(biāo)高，為芯片自主可控提供重要保障。