GaN超短波寬帶放大器的仿真研究

王光旭，任娟慧

（1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都，610100；2.四川省高等學(xué)校校企聯(lián)合“航空電子技術(shù)”應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新基地，四川成都，610100）

0 引言

超短波通信一直是軍事領(lǐng)域應(yīng)用范圍中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容，在軍用艦船通信、艦機(jī)通信中占有不可取代的地位。在軍用艦船、陸軍指揮電臺(tái)、民航飛機(jī)中，為了減少設(shè)備的體積，減少電磁干擾等目的，超短波通信往往采用多部電臺(tái)共用一套天線的結(jié)構(gòu)。超短波戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺(tái)發(fā)射系統(tǒng)框圖如圖1所示。在VHF超短波跳頻通信中，四部電臺(tái)通過(guò)耦合器共用同一副天線。由于其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，要求發(fā)射機(jī)核心部件功率放大器等部分具有高效率、寬帶化、通用性等特點(diǎn)[1~2]。

圖1 VHF戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺(tái)發(fā)射系統(tǒng)框圖

功率放大器是整個(gè)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中的核心模塊，處于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，功放指標(biāo)直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的成敗。由于功放所消耗的能量最高占整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的80%，所以高效率功率放大器也一直是重要的研究方向[3~4]。

目前超短波電臺(tái)發(fā)射機(jī)功放單元主要采用GaAs或LDMOS為材料的第二代場(chǎng)效應(yīng)管半導(dǎo)體元件為主。目前超短波短波全固態(tài)發(fā)射機(jī)已經(jīng)發(fā)展完善，未來(lái)發(fā)展的目標(biāo)是進(jìn)一步提高增益、效率的超短波功率放大器的應(yīng)用。GaN功率管具有高增益、高效率、寬頻帶的特點(diǎn)，吸引了工程人員的重視。在軍事和民用無(wú)線通信領(lǐng)域引入使用GaN功放管，提高了原通信系統(tǒng)的指標(biāo)。利用最新的第三代器件GaN半導(dǎo)體來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)的功放單元，可進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射機(jī)的綜合指標(biāo)[5~6]。

1 技術(shù)指標(biāo)

利用GaN場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)一款適用VHF跳頻通信的寬帶放大器，進(jìn)一步提高發(fā)射機(jī)的工作帶寬與效率。首先確定發(fā)射鏈路技術(shù)指標(biāo)，功放電路結(jié)構(gòu)、芯片選擇、外圍元件參數(shù)的選取，需要根據(jù)這些指標(biāo)來(lái)確定。

擬定的技術(shù)指標(biāo)如下：

頻率：88-110MHz；

功率：≥40dBm（10W），CW信號(hào)；

效率：≥50% ；

增益：≥30dB ；

增益平坦度：≤1.5dB ；

駐波比：VSWR≤1.5；

諧波抑制：≤-80dBc。

2 整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)擬確定的技術(shù)指標(biāo)和目前射頻器件的功率等級(jí)，單級(jí)功率放大器的增益等級(jí)無(wú)法直接滿足 10W功率輸出要求，本課題擬采用多兩級(jí)功放串聯(lián)級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)方案。

總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示，第一級(jí)采用集成小信號(hào)功放模塊，實(shí)現(xiàn)20dB增益，第二級(jí)為功率放大器，實(shí)現(xiàn)10dB增益。

圖2 功放總體方案

完整功率放大器設(shè)計(jì)步驟通常有[7~8]:

(1)安 裝DesignKit模 型；(2)直 流DC掃 描；(3)穩(wěn)定性K分析；(4)負(fù)載牽引Load-Pull；(5)源牽引Soure-Pull；(6)Smith圓圖匹配；(7)偏置設(shè)計(jì)Bias Design;(8)小信號(hào)S參數(shù)仿真；(9)大信號(hào)HB仿真；(10)原理圖優(yōu)化。

一般使用 EDA 仿真軟件ADS等進(jìn)行電路的理論設(shè)計(jì)。功率放大芯片一般工作在非線性狀態(tài)，其設(shè)計(jì)方法與電路結(jié)構(gòu)比小信號(hào)放大器復(fù)雜。對(duì)于ADS仿真軟件中使用的模型可以從廠商網(wǎng)站下載，廠商一般同時(shí)給出小信號(hào)S參數(shù)模型和大信號(hào)模型，工程師可以利用模型對(duì)芯片進(jìn)行穩(wěn)定性、匹配電路、偏置電路以及綜合電路方案驗(yàn)證與仿真設(shè)計(jì)。

3 設(shè)計(jì)步驟

■ 3.1 晶體管選擇

電路第一級(jí)主要完成信號(hào)驅(qū)動(dòng)，為末級(jí)功放提供足夠的輸入功率。根據(jù)電路最初設(shè)計(jì)指標(biāo)，要求第一級(jí)提供20dB的增益，將輸入10dBmW的射頻信號(hào)放大到30dBmW。第一級(jí)一般采用A類線性功放或單片微波集成電路MMIC模塊。目前各微波器件廠商提供了大量高線性、高線性的微波集成模塊MMIC。一般工程應(yīng)用中，小信號(hào)放大可以直接采用MMIC模塊。

綜合主流廠家的產(chǎn)品，第一級(jí)選用Qorvo公司的AH101，是一款中等功率增益塊，動(dòng)態(tài)范圍50~1500 MHz。單電源供電、內(nèi)部自匹配的特性使其適用于寬帶應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中只需要直流電源和旁路電容以及射頻扼流圈。AH101模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 AH101功放電路原理圖

第二級(jí)采用GaN功放芯片，設(shè)計(jì)獨(dú)立式功放電路。目前GaN功放芯片主要以國(guó)外廠商為主，國(guó)內(nèi)少量廠家提供的產(chǎn)品，尚未形成完成的軟硬件支撐服務(wù)。綜合以上因素考慮，第二級(jí)功放器件選用Cree公司的CG2H40010，它是一款性能優(yōu)秀的氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT)。參考數(shù)據(jù)手冊(cè)可知CG2H40010工作電壓28 V，支持工作頻率范圍為 DC~6GHz，芯片的大信號(hào)增益為13dB，最大飽和功率可以達(dá)到10W，可以提供通用的各種射頻和微波應(yīng)用寬帶解決方案。GaN HEMT具備高效率、高增益和寬帶寬的能力使CG2H40010非常適合線性和壓縮放大器電路。該芯片的增益、工作頻段、輸出功率等指標(biāo)均符合方案要求。

■ 3.2 CG2H40010靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇

功放電路設(shè)計(jì)的第一步，就是需要確定CG2H 40010 的靜態(tài)工作點(diǎn)。靜態(tài)工作點(diǎn)直接決定了功放的工作類型。首先確定末級(jí)功放管期望的工作類型，本設(shè)計(jì)擬定的功放工作類型為B類。將放大器的仿真模型導(dǎo)入到ADS軟件的直流掃描模板中，得到的仿真結(jié)果，如圖4所示。參考 data sheet 中給出的典型漏極和柵極電壓偏置值，漏極電壓工作在 28V ，柵極偏壓可以在（-5～0V）掃描以確定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

圖4 靜態(tài)仿真結(jié)果

結(jié)合仿真結(jié)果，本設(shè)計(jì)中晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定為漏極電壓 Vds=28V和 柵極電壓Vgs=-2.7V。

■ 3.3 輸入匹配和輸出匹配設(shè)計(jì)

在 ADS中用到的Source-pull與Load-pull 技術(shù)主要是軟件中的單音負(fù)載牽引仿真控件以及單音源牽引仿真控件來(lái)獲取頻點(diǎn)阻抗值，并可以同時(shí)得到等功率圓與等效率圓。在做阻抗掃描時(shí)需要設(shè)置掃描區(qū)域的圓心與半徑，將初次仿真的源阻抗值代入至負(fù)載牽引的原理圖中，再次仿真后將將初次仿真的源阻抗值代入至負(fù)載牽引的原理圖中，再次仿真后將。阻抗?fàn)恳慕Y(jié)果如圖5所示。

圖5 阻抗?fàn)恳抡娼Y(jié)果

從圖2所示，選取輸出和輸入端最優(yōu)阻抗值分別為ZLopt= (20 +j× 3.8)Ω和ZSopt= (5.5 +j× 3.8)Ω。最優(yōu)ZLopt 和ZSopt確定之后，就可以進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)了。匹配網(wǎng)絡(luò)是功放設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，匹配效果不好，會(huì)造成較大的反射，甚至燒毀功放器件。本文對(duì)于驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)功放的輸出輸入端口都共軛匹配到阻抗值50Ω，從而保證放大器在工作頻段范圍內(nèi)，輸出功率能達(dá)到 40dBm 并具有高效率。

匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)涉及到匹配結(jié)構(gòu)和匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的元件參數(shù)。超短波頻段的匹配一般采用集中參數(shù)的LC電路。在ADS中插入史密斯原圖匹配控件，采用共軛匹配，利用史密斯原圖匹配到標(biāo)準(zhǔn)的50Ω。經(jīng)匹配設(shè)計(jì)后的電路原理總圖如圖6所示。

圖6 電路原理總圖

■ 3.4 S參數(shù)與HB 仿真

對(duì)于匹配后的總體電路，一般還需要經(jīng)過(guò)S參數(shù)與HB仿真。S參數(shù)仿真可以得到放大電路的小信號(hào)S參數(shù)。我們還需要進(jìn)一步分析功放電路的非線性特性，即大信號(hào)狀態(tài)下的電路工作效果，這時(shí)諧波平衡法（Harmonic Balance, HB)仿真。諧波平衡仿真分析速度快、準(zhǔn)確性高，仿真其增益、效率和諧波等性能參數(shù)，借此分析設(shè)計(jì)結(jié)果與需求指標(biāo)的符合度，廣泛應(yīng)用于仿真射頻與微波電路[9~10]。電路總圖的仿真結(jié)果如圖7所示。

如圖7(a)所示，在80~110MHz頻率范圍內(nèi)，中心頻率100MHz處，增益S21 達(dá)到24dB。對(duì)大信號(hào)功放芯片S21具有一定的參考意義。功放的增益主要在23~25dB之間。圖7(b)所示諧波平衡（HB)仿真頻率掃描結(jié)果顯示在工作頻段范圍內(nèi)，各頻點(diǎn)增益G大于13dB，滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)的13dB, 效率大于50%。圖7(c)所示為單音信號(hào)輸出基波和諧波頻譜圖，基波的頻譜代表信號(hào)的輸出功率，可以看出信號(hào)輸出功率大于40dBmW，二次諧波的功率在20dBm以下，也滿足了額定功率10W的設(shè)計(jì)要求。

圖7 電路總圖仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要基于仿真研究，進(jìn)行方案驗(yàn)證。在實(shí)際的應(yīng)用中，還應(yīng)該考慮功放的檢測(cè)與保護(hù)要求，同時(shí)還有散熱的要求。本文仿真研究了一款基于CG2H40010的超短波寬帶氮化鎵功放模塊，在工作帶寬內(nèi)，輸出功率大于10W，效率優(yōu)于10%，可用于其它寬帶發(fā)射機(jī)模塊中。