UHF频段350 W超宽带小型化GaN功率放大器设计.pdf

2023 年 11 月频段超宽带小型化功率放大器设计张晓帆袁银军袁倪涛袁余若祺袁高永辉袁林正兆（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）【摘要】采用 50 V 氮化镓渊GaN冤芯片袁设计一款超高频渊UHF冤频段 350 W 超宽带小型化 GaN 功率放大器遥基于砷化镓渊GaAs冤无源工艺袁设计芯片化的输入集成无源器件渊IPD冤匹配电路曰基于高热率的瓷片袁设计集成的野L冶型瓷片预输出匹配袁以及基于高介电常数的印刷电路板渊PCB冤板材袁设计外输出匹配电路袁从而实现输出匹配电路的宽带小型化遥采用混合集成工艺实现小型化高密度集成袁功率放大器体积为 25 mm伊25 mm伊7 mm遥 经测试袁功率放大器在频带为 0.3 GHz耀0.7 GHz尧电压为 50 V尧脉宽为 100 滋s尧占空比为 10%尧输入功率为 15 W 的工作条件下袁实现了带内输出功率大于 350 W尧功率增益大于 13.5 dB尧功率附加效率大于 50%的性能指标遥【关键词】超宽带曰GaN曰小型化曰功率放大器曰UHF【中图分类号】TN386【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）11-0004-030 引言功率放大器作为发射组件的核心部件，直接决定整机的核心性能。目前，整机正在向多功能化方向发展，要求功率放大器兼具高功率和宽频带，同时，为了实现装机小型化、轻量化，要求功率放大器体积小型化。当功率放大器的工作频带为 1 GHz 时，受波长限制，功率放大器在实现大功率输出的同时，体积小型化和工作频带拓宽较为困难。为了实现百瓦以上的宽带工作，一般采用基于横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件的推挽结构功率放大器1-4，匹配电路采用由电缆组成的变压器，以拓宽工作频带，但由于电路体积较大，无法满足小型化要求。由于氮化镓（GaN）材料具有禁带宽度大、击穿场强高、电子迁移率高、耐高温等优点，GaN 芯片具有工作电压高、输出阻抗高和功率密度大等优势，适用于宽带功率放大器5。目前，GaN 功率放大器的应用已覆盖 L 波段以上直至毫米波的各频段，输出功率量级达到百瓦级以上6-8。本文基于 50 V GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）工艺研制的 GaN，以及输入、输出匹配电路设计采用混合集成工艺，研制一款尺寸为 25 mm伊25 mm伊7 mm、工作频带为 0.3 GHz耀0.7 GHz、输出功率大于 350 W 的超宽带、小型化功率放大器。1 功率放大器设计1.1 GaN 芯片选取GaN 芯片输出功率公式为：Pmax=18伊（BVds-Vknee）伊Imax。（1）式 中：BVds漏 源 击 穿 电 压；Vknee膝 电 压；Imax最大饱和电流。由式（1）可知，GaN 芯片输出功率主要由工作电压和电流能力决定。为了实现高功率和宽频带，本文采用基于 50 V GaN HEMT 工艺研制的 GaN 芯片，该芯片击穿电压大于 200 V，可以保证功率放大器在 50 V 工作电压下可靠工作。待芯片的工作电压确定后，决定芯片输出功率的参数主要为最大饱和电流，而最大饱和电流由芯片的总栅宽决定。在 50 V工作电压下，GaN 芯片功率密度约为 7 W/mm，要想实现 350 W 以上的功率输出，要求芯片总栅宽不小于 50 mm，考虑到宽带工作时带内功率波动和功率冗余量，最终设计功率放大器芯片尺寸为 6.0 mm伊1.4 mm，总栅宽为 60 mm。图 1 为总栅宽为 60 mm 的GaN 芯片版图。1.2 电路设计电路设计的主要目的是根据工作带宽要求，将GaN 芯片的输入阻抗、输出阻抗与 50 赘 端口阻抗匹配。电路设计决定功率放大器的性能指标能否实现，是功率放大器设计的关键技术之一。基于 GaN 芯片大信号模型，使用仿真软件进行负载阻抗和源阻抗的牵引仿真，综合考虑功率和效率等指标，优选满足指标要求的阻抗点。中心工作频率为 0.5 GHz，GaN 芯片的输入阻抗为（1.7-j伊0.8）赘，输出阻抗为（3.7-j伊2.1）赘，基于此，开展输入、输出匹配电路设计。图 1 总栅宽为 60 mm 的 GaN 芯片版图通信设计与应用42023 年 11 月（1）输入匹配电路设计。输入匹配电路由功分电路和阻抗匹配电路两个部分组成。其中，功分电路将输入信号一分为二，同时将输入端口的 50 赘 阻抗变换为功分输出端口的 25 赘 阻抗，实现第一级的宽带阻抗变换。功分后的每路 25 赘 阻抗再通过两级 LC网络实现与 GaN 芯片输入阻抗的匹配。为保证尺寸小型化，基于砷化镓（GaAs）无源工艺设计输入匹配电路，实现输入集成无源器件（IPD）匹配电路的芯片化，大幅减小电路体积。图 2 为输入匹配电路版图。（2）输出匹配电路设计。中心工作频率点的输出阻抗实部为 3.7 赘，要想变换至 50 赘，需要 13.5 倍的阻抗变比。但高的阻抗变比、一个倍频程以上的工作带宽以及小的电路体积三者之间相互矛盾，给输出匹配电路的设计带来了挑战。因此，为输出匹配电路设计了 5 级宽带阻抗变换网络结构：淤第 1 级为“L”型电路，处于 GaN 芯片漏极根部，对芯片进行预匹配，采用高导热率的瓷片将电感和电容进行了集成，使其同时具有小体积和高可靠性的特点。图 3 为集成的“L”型瓷片预输出匹配电路版图，其尺寸为 6 mm伊3 mm。于第 25 级电路采用 4 级微带电容结构的混合多节变换网络，设计外输出匹配电路实现宽带阻抗匹配。为了减小外输出匹配电路的体积，微带线采用高介电常数的印刷电路板（PCB）板材制作，以较小的电路尺寸获得足够长的电长度。图 4 为匹配电路原理。根据匹配电路原理，开展电路仿真和电路元件的优化，并进行大信号仿真，如图 5所示。从仿真结果来看，电路在 0.3 GHz耀0.7 GHz 频段内，输出功率大于 350 W，功率附加效率大于50%。图 2 输入匹配电路版图图 3 集成的野L冶型瓷片预输出匹配电路版图2 功率放大器的制作和测试分析2.1 功率放大器的制作为了实现整机小型化、轻量化的目标，功率放大器采用载片式结构，由输入 IPD 匹配电路、集成的“L”型瓷片预输出匹配电路、GaN 芯片、外输出匹配电路和功率放大器载体组成。根据电路仿真结果，制作输入 IPD 匹配电路、集成的“L”型瓷片预输出匹配电路、GaN 芯片、外输出匹配电路和功率放大器载体。首先，由输入 IPD 匹配电路、集成的“L”型瓷片预输出匹配电路和 GaN 芯片组成的芯组单元，先通过金锡烧结工艺烧结至高导热的铜钼铜载体上，再图 4 匹配电路原理C12C1C3C4C5C7C2C6C14C15C16C8C9C10C11C13L3L4L5L6R1L8L7L10TL5TL1TL2TL3TL4FET1P3Num=3P2Num=2P1Num=1图 5 电路仿真结果01002003004005006007000.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.75频带/GHz0.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.75304050607080频带/GHza.输出功率b.功率附加效率通信设计与应用52023 年 11 月烧焊至功率放大器载体上，实现芯片与功率放大器载体之间的良好热匹配。其次，外输出匹配电路的微带线采用高介电常数的 PCB 板材制作，匹配电容采用高 Q 值的多层陶瓷电容，电容先焊接于 PCB 上，再烧焊至功率放大器载体上。再次，为了提高散热能力，功率放大器载体采用高导热率的紫铜材料，厚度为 5 mm。最后，芯组单元内部、芯组单元与 PCB 之间采用 30 滋m 的金丝键合连接。功率放大器的尺寸为25 mm伊25 mm伊7 mm，如图 6 所示。2.2 测试结果和分析将功率放大器装配至专门制作的测试夹具（夹具端口阻抗为 50 赘）上，利用大功率微波测试系统对功率放大器进行测试。大功率微波测试系统包括一台信号源（提供射频输入信号）、一台高增益驱动功率放大器（提供输入功率）、一台双通道直流稳压电源（提供负栅压）、一台大功率直流稳压电源（提供 50 V 直流电压）、一台功率分析仪（测试输出信号）。直流偏置条件如下：淤栅极工作电压为-2.8 V。于漏极工作电压为 50 V。在脉宽为 100 滋s、占空比为 10%、输入功率为 15 W 的工作条件下进行测试。测试过程中，为了提高散热能力，保障测试安全，将测试夹具置于散热片，并利用风扇进行充分散热。测试结果如图 7、图 8 所示。由图 7 可知，功率放大器的输出功率和功率增益随频带变化而变化，在 0.30 GHz耀0.70 GHz 频带内，最小输出功率为 353.2 W，最大输出功率为 469.0 W，最小功率增益为 13.7 dB，最大功率增益为 15 dB。由图 8 可知，功率放大器的功率附加效率随频带变化而变化，在 0.30 GHz耀0.70 GHz 频带内，最小功率附加效率为 51.2%，最大功率附加效率为 70.0%。3 结语本文基于 GaN 芯片大信号模型，仿真设计了超高频（UHF）频段的宽带芯片化输入匹配电路和宽带小型化输出匹配电路，采用混合集成工艺对输入 IPD匹配电路、GaN 芯片和输出匹配电路进行了小型化高密度集成，最终功率放大器以 25 mm伊25 mm伊7 mm的超小体积在 0.30 GHz耀0.70 GHz 频带内实现了输出功率大于 350 W、功率增益大于 13.7 dB、功率附加效率大于 50%的性能指标，突破了 UHF 频段超宽带、高功率功率放大器小型化设计的难题，为整机小型化和轻量化提供了支持，具有广泛的应用前景。参考文献1 郎秀兰，段雪，刘英坤，等.P 波段 350 W LDMOS 功率管研制C/中国半导体行业协会.2010 全国半导体器件技术研讨会论文集.杭州：2010 全国半导体器件技术研讨会，2010：14-16.2 宋鹏，张广场，王瀛波，等.P 波段超宽带 GaN 功放模块研制J.电子设计工程，2021，29（5）：104原107，113.3 刘继林.UHF 大功率功放模块设计的新方法J.电讯技术，2012，52（6）：988原991.4 苑小林，林川，吴鹏，等.一种基于 LDMOS 器件的小型化 P波段功率放大模块J.固体电子学研究与进展，2013，33（5）：432原435.5 郑新.三代半导体功率器件的特点与应用分析J.现代雷达，2008，30（7）：10原17.6 吴家锋，徐全胜，赵夕彬，等援C 波段 160 W 连续波 GaNHEMT 内匹配功率管研制J援半导体技术，2019，44（1）：27原31援7 斛彦生，余若祺，银军，等援 S 波段 GaN 高效率内匹配功率放大器的设计与实现J援通讯世界，2017（12）：25原26援8 银军，余若祺，刘泽，等.X 波段 300 W GaN 功率器件技术J.太赫兹科学与电子信息学报，2020，18（1）：89-94援作者简介院张晓帆（1983），男，汉族，甘肃西和人，硕士研究生，高级工程师，主要从事微波功率器件及模块的研究和开发工作。图 6 UHF 频段 350 W 功率放大器实物照片图 8 0.30 GHz耀0.70 GHz 频带内功率附加效率变化曲线20.025.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.00.300.350.400.450.500.550.600.650.70频带/GHz图 7 0.30 GHz耀0.70 GHz 频带内输出功率和功率增益变化曲线频带/GHz0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.0500.00.300.350.400.450.500.550.600.650.700.02.04.06.08.010.012.014.016.018.020.0输出功率功率增益通信设计与应用6