L頻段高效功率放大器設計

劉傳洋，藍永海

(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江嘉興314033)

0 引言

隨著有源相控陣系統在機載平臺的應用，通信對抗系統不斷向小型、輕便和節能方向發展，提高功放效率是迫切需要解決的問題。功放效率和半導體功率器件的發展密不可分，GaN高電子遷移率晶體管的誕生，因其具備高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等性能，使功放效率得到了很大的提高，已廣泛應用于雷達和通信等領域［1，2］。

選用了一款高效GaN功率放大器件，為其設計匹配電路，使得該器件在L頻段(0.96～1.25 GHz)內滿足輸出功率大于100 W，效率大于50%。

1 總體設計方案

1.1 功率管的選擇

為了實現在 0.96～1.25 GHz頻段內輸出100 W的功率，對射頻功率管有一定的要求。例如導通電阻要小、輸出寄生電容要低等。常用的場效應晶體管輸出功率有限，效率相對較低，不能滿足高效率要求。因此，具有較高功率密度、低導通電阻、低寄生電容和高輸出阻抗的寬禁帶器件是實現設計的首選［3－5］。

經綜合比較，選定CREE公司的GaN功率管CGH40120F，此功率管的P1db輸出功率110 W，小信號典型增益20 dB，典型效率達到70%。

1.2 放大器電路設計

設計思路:首先對功率管進行直流分析確定功率管的靜態工作電壓和工作電流;再利用ADS軟件進行仿真，得到輸入、輸出阻抗匹配電路并對其穩定性加以分析;最后加工印制板、調試及改版。

1.3 直流分析

對功率管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和電流。選擇正確的直流工作點以及適當的直流偏置電路，對獲得設計要求的交流特性也是十分重要的。利用ADS軟件對該器件進行直流分析的結果如圖1所示。根據廠家提供的器件資料及圖1中的I-V靜態曲線，選取Vds=26 V、Vgs=－2.9 V作為功率管的靜態工作點，此時放大器工作在AB類工作狀態，在滿功率輸出時效率較高，線性度也較好［6－8］。

圖1 I-V靜態曲線

2 關鍵技術

2.1 時序控制設計

眾所周知，GaN器件是負偏置工作器件，漏極和柵極的供電需要一定的時間控制。如圖2所示，上電時必須先開啟柵極電壓Vgs，然后才能開啟漏極電壓Vds;反之，斷電時，先斷開漏極電壓Vds，然后再斷開柵極電壓Vgs。

圖2 功率管上電斷電時序圖

很典型地，偏置電壓是通過一個1/4波長線引入到射頻電路中功率管的電極。在這需要注意的是，漏極上電時，柵極不可以懸空或者接地，否則極易引起類似振蕩現象而導致功率管的損壞［9］。

2.2 供電電路設計

在放大器的設計中，其供電及偏置是非常重要的。放大器電路的電源供電和偏置設計不好，將嚴重影響功放的指標和穩定性。GaN功率管CGH40120F的供電電路設計原則如下:

①反射小，即對主傳輸線的附加駐波要小;

②引入噪聲小，即要求在有高頻能量傳輸的網絡中，盡量使用無耗網絡，如果實在不能避免則必須要加濾波網絡來減小附加噪聲的引入;

③附加損耗小，即要求在頻帶內呈現純電阻要小，使能量盡可能的沿主線傳輸到負載，但有耗網絡的引入可以改善系統的駐波，因此可以根據具體的設計需要進行取舍。

3 ADS仿真和穩定性分析

3.1 ADS仿真

用ADS仿真設計功率放大器，最理想的情況是器件生產廠家提供大信號情況下的器件模型，而CREE公司恰恰提供了功率管CGH40120F的大信號模型。這樣就可以比較準確地進行匹配電路的仿真優化。

匹配電路的設計，實際上是以共軛匹配的方式，將器件的端口阻抗逐漸變換到50 Ω。器件的輸入/輸出阻抗是隨著工作頻率變化的，所以在進行阻抗匹配時，不可能在所要求的頻段內達到完全的匹配。一般工作頻帶越寬，阻抗變化越大，匹配電路的設計就越困難。為滿足寬帶匹配要求，一般都是進行多節的阻抗變換，即在輸入端和輸出端有多段微帶線級聯，每個微帶線有長度和寬度2個變量［10］。匹配電路仿真模型如圖3所示。

圖3 匹配電路仿真模型

仿真時既要兼顧功率輸出大小又要兼顧效率的高低，此外還要考慮到實際饋電電路的影響。這樣就可對設計好的寬帶匹配電路進行大信號S參數仿真優化，通過仿真優化，在 L頻段(0.96～1.25 GHz)仿真結果如圖4所示。

從圖4分析得知，功率管CGH40120F輸出電路匹配較好，在頻率范圍為0.96～1.25 GHz內，正向傳輸增益＞12.8 dB，輸出端口駐波＜1.6，說明正向傳輸很大，反射很小。因此采用節數較多的微帶線匹配法結合ADS對設計目標進行優化，減少了人為調試，對功率管匹配網絡的實現取得了不錯的效果。

圖4 功放電路仿真結果

3.2 穩定性分析

穩定性［11］是指放大器抑制環境的變化，維持正常工作的特性的能力，是設計中關鍵因素之一，它要求設計好的電路穩定輸出功率，不自激而且遠離自激振蕩狀態。因此，在放大器阻抗匹配電路設計完成之后必須進行穩定性分析與仿真。

放大器穩定系數隨頻率的變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，穩定系數StabFact1﹥1，說明放大器在此頻段內無條件穩定。

圖5 穩定性曲線

4 仿真的局限性

仿真與實物之間肯定存在或大或小的差異。在本設計過程中，誤差的形成主要有以下幾個方面:

①參數設置不準確。主要是印制板材的參數不準，如介電常數、板材厚度不均勻，各數值誤差范圍較大等;

②用S參數提取的數據有誤差。盡管在優化過程中盡量使兩者的S參數一致，但畢竟不可能完全一樣，提取的參數和實際有差別;

③印制板加工過程中引入的誤差;

④仿真算法引入的誤差。在仿真過程中，各元器件都是用理想元件來計算的，必然與實際有較大的差異［12］。

5 測試結果

根據仿真設計過程，加工了一塊該放大器的電路印制板，板材為0.5 mm厚聚四氟乙烯玻璃纖維雙面覆銅板。裝配好一個模塊，經過簡單調試后，對該模塊進行了測試。測試條件是:連續波工作，漏極Vds=26 V，柵極電壓Vgs=－2.9 V。該放大器輸出100 W時的效率測試曲線如圖6所示，可見在0.96～1.25 GHz頻率范圍內效率大于50%。

圖6 放大器效率測試曲線

6 結束語

給出可用于實際設計的方法和注意事項，對射頻電路設計師的實踐工作具有一定的幫助。從設計可以看出，GaN大功率器件在寬帶和高效率應用中有著非常優異的表現，在L頻段(0.96～1.25 GHz)可以達到連續波輸出功率100 W，效率大于50%，驗證了GaN功率器件的高效率特性?？梢灶A測隨著越來越多的新型GaN功率器件的面世，相對傳統的雙極型晶體管和MOSFET場效應管的優勢將更大，從而能更好地滿足未來通信對抗系統高效率的要求。

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