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学术：基于GaN管芯的X波段宽带功率放大器设计

Original 2017-01-04 ☞ 信息与电子前沿

今日荐文

今日荐文的作者为中国电子科技集团公司第三十八研究所专家张瑞，安士全。本篇节选自论文《基于GaN管芯的X波段宽带功率放大器设计》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第5期。下面和小编一起开始学习吧~

引言

功率放大器是通信、雷达、导航、识别、空间对抗等各类无线系统中的重要组成部件之一。随着有源相控阵技术的发展以及多功能射频综合体制的兴起，系统应用中对功率放大器提出了宽带、小型化、低成本、通用器件、模块化设计等诸多应用需求。为了提高器件的可使用性，目前微波功率器件厂家一般提供的是匹配好的功率晶体管，这种功率管一般为特定频率下使用，通用性较差。而未匹配的宽带功率芯片具有价格低、频带宽、适用性广等优点，可以满足当下核心器件通用化、系列化及开发周期短平快的应用要求, 具有较大的发展空间。为了适应这一需求，国外的器件厂商如UMS、Triqunit、Cree等公司都推出了系列宽带功放芯片产品。

本文针对Triqunit公司的GaN单管芯放大器开展宽带电路设计，该系列芯片具有价格低廉、频带宽、输出功率大等优点，但因其匹配设计复杂，且对加工、键合精度要求较高，目前国内只有少数几个单位对该芯片的应用开展了一些初步研究。本文利用仿真软件对匹配电路进行了仿真优化，并根据仿真结果进行了实际电路的制作和测试。

1.宽带功率放大器匹配电路设计

宽带功率放大器设计的主要目标是获取尽量平坦的带内功率增益。随着目前射频系统中对多功能综合一体化、软件无线电等应用的需求逐步增强，设计宽带放大器除了考虑传统的输出功率、增益平坦度的同时，还需要额外的考虑线性度、效率乃至非线性相位等技术指标要求。而我们知道，对于常规的晶体管来说存在每倍频程4～6dB的增益下降特性，因此宽带功放设计的核心目标是设计能够在整个频带内提供灵活合适的输入/输出匹配网络，对其增益进行平衡和补偿，从而获得最小的带内增益起伏、最大的输出功率以及最佳功率附加效率(PAE)等最佳效果。

目前功放的主要设计方法有小信号S 参数法、负载牵引法、非线性模型法等。这其中，基于非线性模型设计方法需要基于器件的具体工艺及电参数，建立功放的非线性模型；小信号S参数法是在线性S参数基础上开展的一种推导设计，缺乏对强非线性状态下的行为预测能力；负载牵引方法针对特定的器件，利用负载牵引平台测试出不同频点下的源/负载阻抗与输出功率的曲线后进行综合设计得到，但常因器件的高次谐波没有落在最佳效率区域而导致功放设计的低效率。由英国Cardiff大学的S.C.Cripps提出的连续型功放理论结合多谐波双向牵引阻抗值方法可以在一定程度上解决带宽、增益和效率之间的矛盾。但因连续型功放理论的负载特性是在电流源参考平面上求解得到，对于封装功率器件的管壳封装等寄生参数影响难以有效表征，且实际操作中需要利用负载牵引分析平台对高次谐波进行分析、测试和调整，因而难以在工程应用中得到推广。

考虑本文所选器件为GaN管芯器件，其本身的缓压缩特性使得厂家提供的S参数能够在更大范围内预计放大器设计结果，因此本设计采用小信号S参数法进行快速的工程设计。

2.功率放大器的电路仿真

本文设计中利用ADS软件建立器件线性模型和寄生参数等效后，推出输入输出阻抗，进而进行阻抗匹配设计。需要特别注意的是：应用小信号参数开展放大器设计时，设计目标值是最大增益而非最大功率。功率放大器实际工作在大信号时，往往因其本身的非线性特性、封装寄生参数的影响、设计目标的差异，导致设计结果与小信号S 参数仿真结果有所不同。

2.1小信号S参数分析

本文使用的管芯小信号S 参数来自器件厂家官方网站提供的S2P文件，该S参数的测试条件为Vd = 28V，Idq = 125mA。在开始匹配电路设计前，首先对小信号S参数进行简单分析，了解器件在目标频段内小信号下的阻抗特性及稳定性问题，从而选择与阻抗匹配相适应的拓扑结构，以及阻抗匹配中是否需要增加对应的稳定电路。如图1所示，在ADS中进行建模。

利用芯片S参数对输入输出阻抗的仿真结果如图2（a）、（b）所示，可以看出在目标频率6～12GHz的输入阻抗从6GHz的变化到12GHz，复阻抗实部虚步都比较小，阻抗匹配主要是进行实部阻抗变换。输出阻抗从6GHz的93-j44变化到12GHz的15-j21，复阻抗实部虚部均较大，且实部接近50，因此阻抗匹配主要是消除虚部。

图1 芯片的S参数测试仿真模型

（a）输入阻抗

（b）输出阻抗

图2 芯片在6-12GHz的输入/输出阻抗曲线

图3 稳定因子仿真结果

通过S参数模型仿真得出芯片的稳定性曲线如图3所示，仿真结果显示在6～12GHz工作频段内该器件在7.5～12GHz稳定因子K1>1，是绝对稳定，在6～7.5GHz 1>K>0.7，为有条件稳定，因此，在匹配电路设计完成后需要查看其稳定性。

2.2 输入输出匹配电路设计

根据图2输入输出阻抗的仿真结果及阻抗的分析，选择合适的拓扑结构即可进行匹配电路设计。因集总元件在X波段的寄生效应较强，因此设计中选择分布参数元件匹配电路，采用微带开路短截线、短路短截线作为基本单元进行阻抗匹配，具有低损耗、易加工、易调试等优点。

微带基板选择该频段常用的Rogers公司的RT5880，其介电常数为2.2，厚度0.254mm。输入/输出匹配电路的ADS模型分别如图4所示。仿真过程中微带线参数设置需考虑当前的工艺水平，尽量减小后期实际加工和装配的难度。

图4 ADS中输入(上)/输出(下)匹配模型

另外，由于后期该芯片的装配中输入输出匹配电路与芯片的连接需金丝键合，因此仿真过程中需要加入金丝模型一起仿真。在X波段，因金丝键合的各参数对功放的指标有很大的影响，仿真过程中对金丝参数设置需要符合装配工艺中可实现的键合参数。

2.3功放整体仿真优化

在完成输入/输出阻抗的初步设计后，需要进行电路的整体仿真，通过查看电路的增益和端口驻波对匹配电路参数进一步优化。下图是ADS中整体仿真的模型。

图5 ADS中整体仿真模型

在整体电路仿真优化中一般遵循以下原则：初始化优化变量不宜太多，遵循从少至多, 最后全频域微调整的原则；在选择优化算法时, 一般先选随机优化找到最值区域后,再换梯度法进行收敛；优化过程中，采用多变量和单变量优化相结合的方法,可以有效提高优化成功率。本设计的最终优化仿真结果如下图6所示。

仿真结果显示，在目标频率6～12GHz内增益曲线S(2,1)起伏小于1dB，输出驻波S(2,2)最差为5dB，输入驻波S(1,1)最差在2dB左右。根据相关经验，该仿真结果中S(2,1)和S(2,2)已比较理想，而S(1,1)指标并不理想，这在宽带GaN放大器的仿真中较常见，该指标可通过改变拓扑结构、增加反馈电路等多种设计手段继续优化。本设计中，出于小型化考虑，通过在放大器的输入端增加衰减器以提高稳定性，改善驻波指标。

图6 最终优化仿真结果

图7 整体电路的稳定性仿真结果

为保证设计的可行性，完成最终优化仿真后，还需要在全频段内再次计算电路的稳定性指标。最终的稳定性计算不仅需要考虑整个工作频段，还需要简单的计算一下低频端的稳定性，避免低频信号带来的自激，如图7所示是最终整体电路的稳定性仿真结果，稳定因子K>1，表明电路已经达到绝对稳定状态。

3.实测结果及其分析

电路的仿真过程中未开展偏置电路模型联合仿真，在实际设计中，采用栅极串电阻及漏极高阻线的方式隔离馈电电路对射频的影响，其中漏极偏置电路的高阻线不能太窄，要确保可以承受正常工作时漏极上的大电流。为保证射频的隔离，漏极馈电中增加了电感进行射频扼流。

功放芯片的组装采用防静电微组装工艺，射频信号间的连接采用25μm的金丝键合，金丝长度、拱高、跨度应尽量靠近仿真中的金丝参数，一般不应超过0.4mm。芯片与衬底采用共晶焊，保证良好接地与散热，如图8是装配好的功率放大器实物图。

图8 放大器实物图

对放大器的性能测试分为两个步骤：小信号增益测试及功率、效率测试。小信号增益测试需要利用矢量网络分析仪开展，矢网频率设置为6～14GHz，端口输出功率设置为-20dBm。矢网测试出的S(2,1)结果如图9所示，该测试结果与图6的仿真结果进行比较，可以看出，实际测试结果与仿真结果基本吻合，实测增益略低仿真结果1dB左右，频率略往高端偏移1GHz，这是由于加工、测试误差及输入/输出端的连接器等引起的。

图9 放大器小信号增益测试结果

小信号测试完成后进行大功率测试，选择中心频率9GHz先按照小信号测试状态，加入射频激励信号，并将输入功率逐步增大。在此过程中，观察输出功率的增益压缩情况，验证电路的输出P_sat功率，测试结果如图10所示。改变频率对目标频率6～12GHz内进行功率测试，固定输入功率为29dBm，记录输出功率，对频段内输出功率画图，如图11所示。测试结果表明，在频率6～12GHz，输出功率大于37dBm，功率起伏小于1dB，测试结果优于预期。

图10 9GHz时输入-输出功率测试曲线

图11 6-12GHz输出功率-频率测试曲线

结语

本文利用小信号S参数及中心频点阻抗参数设计了一款宽带功率放大器，增益指标达到设计要求,测试结果在6～12GHz频带内功率大于5W，对宽带功率放大器的设计方法进行了有益探索，验证了设计方法的有效性。该设计是对宽带管芯应用的一次有益尝试，为更高频段开展基于GaN管芯的Q-MMIC开发积累了经验。