一種GaN寬禁帶功率放大器的設計

0 引言
半導體功率器件按材料劃分大體經歷了三個階段。第一代半導體功率器件以Si雙極型功率晶體管為主要代表，主要應用在S波段及以下波段中。Si雙極型功率晶體管在L波段脈沖輸出功率可以達到數百瓦量級，而在S波段脈沖功率則接近200W。第二代半導體功率器件以GaAs場效晶體管為代表，其最高工作頻率可以達到30～100 GHz。GaAs場效應晶體管在C波段最高可輸出功率接近100W，而在X波段則可達到25 W。第三代半導體功率器件以SiC場效應晶體管和GaN高電子遷移率晶體管為主要代表。同第一代、第二代半導體材料相比，SiC和GaN半導體材料具有寬禁帶、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率以及抗輻射能力強等優點，特別適合應用于高頻、高功率、抗輻射的功率器件，并且可以在高溫惡劣環境下工作。由于具備這些優點，寬禁帶半導體功率器件可以明顯提高電子信息系統的性能，廣泛應用于人造衛星、火箭、雷達、通訊、戰斗機、海洋勘探等重要領域。
本文基于Agilent ADS仿真軟件設計實現一款高效GaN寬禁帶功率放大器，詳細說明設計步驟并對放大器進行了測試，結果表明放大器可以在2．3～2．4 GHz內實現功率15W以上，附加效率超過67％的輸出。

1 GaN寬禁帶功率放大器的設計
1．1 放大器設計指標
在2．3～2．4 GHz工作頻段內，要求放大器連續波工作，輸出功率大于10 W，附加效率超過60％。
1．2 功率管的選擇
根據放大器要求的設計指標，設計選用的是某進口公司提供的SiC基GaN寬禁帶功率管，其主要性能參數見表1。

1．3 放大器電路設計
圖1為功率放大器原理框圖。圖1中，IMN＆Bias和OMN＆Bias分別為輸入匹配網絡及輸入偏置電路和輸出匹配網絡及偏置電路，VGS和VDS分別為柵極-源極工作電壓和漏極-源極工作電壓。采取的設計思路是：對功率管進行直流分析確定放大器靜態工作電壓；進行穩定性分析和設計；利用源牽引(Source Pull)和負載牽引(Load Pull)方法確定功率管匹配電路的最佳源阻抗ZS和最佳負載阻抗ZL(ZS和ZL的定義見圖1)；
根據獲得的源阻抗與負載阻抗進行輸入、輸出匹配電路設計以及偏置電路設計；加工、調試及改版。
1．3．1 直流分析
對功率放大器進行直流分析的目的是通過功率管的電流-電壓(I-V)曲線確定功率管的靜態工作電壓。由于廠家提供了功率管的ADS模型，因此設計中直接利用該模型進行仿真設計(下同)。

圖2為在Agilent ADS軟件中對器件模型進行直流分析的結果。根據廠家給出的器件規格參數以及圖2中的I-V曲線，選用VDS=28 V，VGS=-2．5 V作為放大器的工作電壓。為使放大器能夠實現較高的效率，這里選取靜態電壓讓放大器在C類條件下工作。