基于Agilent ADS仿真軟件的高效GaN寬禁帶功率放大

0 引言

　　半導(dǎo)體功率器件按材料劃分大體經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一代半導(dǎo)體功率器件以Si雙極型功率晶體管為主要代表，主要應(yīng)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(dá)到數(shù)百瓦量級(jí)，而在S波段脈沖功率則接近200W。第二代半導(dǎo)體功率器件以GaAs場(chǎng)效晶體管為代表，其最高工作頻率可以達(dá)到30～100 GHz。GaAs場(chǎng)效應(yīng)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(dá)到25 W。第三代半導(dǎo)體功率器件以SiC場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)體材料相比，SiC和GaN半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)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(huán)境下工作。由于具備這些優(yōu)點(diǎn)，寬禁帶半導(dǎo)體功率器件可以明顯提高電子信息系統(tǒng)的性能，廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星、火箭、雷達(dá)、通訊、戰(zhàn)斗機(jī)、海洋勘探等重要領(lǐng)域。

　　本文基于Agilent ADS仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款高效GaN寬禁帶功率放大器，詳細(xì)說(shuō)明設(shè)計(jì)步驟并對(duì)放大器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明放大器可以在2.3～2.4 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率15W以上，附加效率超過(guò)67%的輸出。

　　1 GaN寬禁帶功率放大器的設(shè)計(jì)

　　1.1 放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)

　　在2.3～2.4 GHz工作頻段內(nèi)，要求放大器連續(xù)波工作，輸出功率大于10 W，附加效率超過(guò)60%。

　　1.2 功率管的選擇

　　根據(jù)放大器要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)選用的是某進(jìn)口公司提供的SiC基GaN寬禁帶功率管，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

　　1.3 放大器電路設(shè)計(jì)

　　圖1為功率放大器原理框圖。圖1中，IMNBias和OMNBias分別為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)及輸入偏置電路和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)思路是：對(duì)功率管進(jìn)行直流分析確定放大器靜態(tài)工作電壓;進(jìn)行穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì);利用源牽引(Source Pull)和負(fù)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(fù)載阻抗ZL(ZS和ZL的定義見(jiàn)圖1);

　　根據(jù)獲得的源阻抗與負(fù)載阻抗進(jìn)行輸入、輸出匹配電路設(shè)計(jì)以及偏置電路設(shè)計(jì);加工、調(diào)試及改版。

　　1.3.1 直流分析

　　對(duì)功率放大器進(jìn)行直流分析的目的是通過(guò)功率管的電流-電壓(I-V)曲線確定功率管的靜態(tài)工作電壓。由于廠家提供了功率管的ADS模型，因此設(shè)計(jì)中直接利用該模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)(下同)。

　　圖2為在Agilent ADS軟件中對(duì)器件模型進(jìn)行直流分析的結(jié)果。根據(jù)廠家給出的器件規(guī)格參數(shù)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?qū)崿F(xiàn)較高的效率，這里選取靜態(tài)電壓讓放大器在C類條件下工作。

　　1.3.2 穩(wěn)定性分析

　　穩(wěn)定性是放大器設(shè)計(jì)中需要考慮的關(guān)鍵因素之一，它取決于晶體管的S參數(shù)和置端條件。功率放大器的不穩(wěn)性將產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的寄生振蕩，導(dǎo)致結(jié)果失真，甚至設(shè)計(jì)失敗。因此，在進(jìn)行放大器阻抗匹配電路設(shè)計(jì)之前，必須進(jìn)行穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)。

　　圖3給出了功率管穩(wěn)定系數(shù)隨頻率的變化曲線。圖3中，穩(wěn)定系數(shù)K與D分別定義為：

　　從圖3可以看出，在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)K和D分別滿足大于1和小于