基于GaN HEMT的L波段600W內匹配功率管設計

摘? 要：采用兩只總柵寬100 mm的0.5 μm工藝GaN HEMT功率管芯，通過合理選擇目標阻抗、合理設計輸出匹配網絡，實現了一款輸出功率達到600 W的L波段內匹配功率管。在+36 V、-2 V工作電壓下，1.14～1.26 GHz內，功率管輸出功率≥600 W，功率增益≥12 dB，功率附加效率≥55%，體積僅為33 mm×17 mm×2 mm，重量僅為3.5 g，顯示出卓越的性能，具有廣泛的工程應用前景。

關鍵詞：功率管;GaN;內匹配;L波段;大功率

中圖分類號：TN386? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）01-0052-04

Abstract： Using two 0.5 μm process GaN HEMT power transistor cores with a total grid width of 100 mm， an L-band internal matching power transistor with an output power reached 600 W is realized by reasonably selecting the target impedance and reasonably designing the output matching network. Under the working voltage of +36 V and –2 V， within 1.14～1.26 GHZ， the output power of power transistor is greater than or equal to 600 W， the power gain is greater than or equal to 12 dB， the power added efficiency is greater than or equal to 55%. And the volume is only 33 mm×17 mm×2 mm， the weight is only 3.5 g. It shows excellent performance and? has broad engineering application prospects.

Keywords： power transistor; GaN; internal matching; L-band; high power

0? 引? 言

受益于氮化鎵（GaN）材料禁帶寬度大、擊穿場強高、電子遷移率高、電子飽和速度大等特點，GaN HEMT具有工作電壓高、功率密度大、效率高、增益高等優勢，特別適合高功率、高效率的應用場合[1-4]。近年來，隨著GaN HEMT器件的逐漸成熟，固態微波功率放大器中的LDMOS器件和GaAs器件逐漸被GaN HEMT器件所取代。

目前，基于GaN HEMT器件的L波段放大器主要分為功率單片、內匹配功率管和預匹配功率管三類。其中，功率單片輸出功率一般不超過20 W，內匹配功率管輸出功率一般不超過400 W[5-7]，預匹配功率管輸出功率可達500 W以上[8]。本文研制了一款L波段內配功率管，其輸出功率大于600 W，相較預匹配功率管，其尺寸、重量具有明顯優勢。本文介紹的內匹配功率管包含全部輸入、輸出匹配電路和輸入、輸出扼流電路，在1.14～1.26 GHz內，其輸出功率≥600 W，功率附加效率≥55%，功率增益≥13 dB，體積僅為33 mm×17 mm×2 mm，重量僅為3.5 g，顯示出卓越的性能，具有廣泛的工程應用前景。

1? 管芯選擇

本文選用的GaN功率管芯使用0.5 μm HEMT工藝，圖1為0.5 μm HEMT工藝GaN功率管芯縱向結構示意圖[9]。此類GaN功率管芯采用SiC襯底，具有良好的熱性能;采用柵場板結構[10]降低峰值電場，源漏擊穿電壓達到150 V;同時，由于AlGaN和GaN異質結形成的二維電子氣（2DEG），GaN HEMT器件的電子遷移率可達2 000 cm2/V·s以上，具有優異的射頻性能。

本文選用兩只總柵寬為100 mm的GaN功率管芯，其單指柵寬為1 250 μm，4 GHz以下均有良好的射頻性能。在36 V漏源電壓L波段條件下，其功率密度為4 W/mm，可以滿足輸出功率大于600 W的要求。功率管芯圖2是100 mm GaN功率管芯的版圖，芯片尺寸為5.85 mm×1.75 mm。

2? 功率管設計

2.1? 目標阻抗選取

目標阻抗的選取直接決定了功率管的最終性能，是功率管設計中的關鍵步驟。使用諧波平衡仿真器，利用器件的大信號模型，對單只GaN功率管芯進行源牽引和負載牽引仿真。仿真時設置器件柵壓-2 V，漏壓+36 V，輸入功率42.8 dBm，頻率設置為工作頻帶中心頻率1.2 GHz。源牽引結果如圖3所示，可以看到，最大功率阻抗和最佳效率阻抗基本重合，其阻抗值為2.15+j0.3 Ω。負載牽引結果如圖4所示，可以看到，最高功率附加效率為82.0%，其對應阻抗為4.8+j3.5 Ω;最大輸出功率為56.5 dBm，其對應阻抗為2.53+j1.1 Ω。選取2.15+j0.3 Ω為目標源阻抗，選擇2.53+j1.1 Ω為目標負載阻抗，開展后續設計，對應增益13.7 db、輸出功率59.5 dBm、功率附加效率77%。

2.2? 匹配網絡設計

功率管設計的主要工作是設計匹配網絡將50歐姆匹配到目標阻抗。本文的匹配電路主要包含兩部分，一是在陶瓷基板上實現的平面功分器;二是功率管芯和公分器之間，由金絲和單層電容組成的T型匹配網絡。圖5是本文所采用的匹配網絡結構示意圖。

平面功分器兼具功率合成和阻抗變換的功能，經過平面功分器之后，單只GaN功率管芯對應阻抗被變換到10 Ω左右，T型匹配網絡繼續將阻抗匹配到目標阻抗。

2.3? 輸出匹配網絡中電容的選取

輸出匹配網絡中電容按功能可分為三類，分別是：T型匹配網絡中的匹配電容、隔直電容和扼流電容。其中，匹配電容和扼流電容并聯在射頻通路上，隔直電容串聯在射頻通路上。仿真得到單個功率管芯對應的輸出匹配電容容值為29.6 pF，隔直電容需不小于10 pF，扼流電容需不小于100 pF。

通過圖6仿真可知，雖然功率管工作電壓只有36 V，但正常工作時，功率管輸出端匹配用單層電容兩端壓差接近150 V。其他條件不變的前提下，輸出功率越大，輸出匹配電容兩端壓差越大，越容易擊穿，這也是500 W以上功率管一般采用預匹配形式，避免使用T型匹配網絡實現阻抗匹配的重要原因之一。

為了保證功率管的可靠工作，根據匹配網絡對電容容值、尺寸的要求，使用介電常數80，介質厚度0.127 mm的氧化鋁陶瓷，制備了長度3.4 mm、寬度1.1 mm、容值14.8 pF的單層電容，如圖7所示，實際使用時每個管芯對應兩個單層電容。經實測，新制備的單層電容擊穿電壓達到500 V，完全滿足功率管使用要求。為了方便調試，匹配電容上還預留了調試小塊，用于微調電容容值。

由于功率管輸出功率高達600 W，除輸出T型匹配網絡中匹配電容的耐壓外，輸出隔直電容和扼流電容的耐壓也需要關注。易知，其他條件不變的前提下，隔直和扼流電容兩端電壓同電容容值負相關，容值越大，電容兩側電壓差越小，但容值越大的電容往往擊穿電壓更低。綜合考慮，本文采用3只擊穿電壓大于250 V的6.8 pF單層電容實現隔直，2只擊穿電壓大于250 V的68 pF單層電容實現扼流。經過仿真電容兩端電壓差如圖8、圖9所示，可以看到輸出隔直電容兩端最大電壓差為76.1 V，遠小于電容擊穿電壓250 V;輸出扼流電容兩端最大電壓差為48.2 V，也遠小于電容擊穿電壓250 V。

3? 研制結果

3.1? 功率管制備

功率管平面功分器采用厚度為0.254 mm的氧化鋁陶瓷實現，其中輸出匹配陶瓷基片尺寸為15.3 mm×16.5 mm。為了防止瓷片開裂，增加產品可靠性，將輸出匹配陶基片分為3.2 mm×16.5 mm和13.1 mm×16.5 mm兩部分。為了保證散熱，GaN功率芯片以及輸出側陶瓷基片、匹配電容、隔直電容、扼流電容均采用金錫焊料共晶焊接在鉬銅載片上，其他元器件使用導電膠粘接在鉬銅載片上。圖10為產品實物照片，產品尺寸33 mm×17 mm×2 mm，重量3.5 g。

3.2? 微波性能

功率管在工作電壓36 V、-2 V，輸入功率42.8 dBm，8 μs/800 μs占空比，常溫下的實測輸出功率和功率附加效率如圖11中實線所示?？梢钥吹焦β史糯笃髟?.14～1.26 GHz范圍內輸出功率≥600 W（57.8 dBm），增益波動小于±0.3 dB，頻帶內功率附加效率≥55%，最高達到61.2%。

3.3? 可靠性

為評估功率管可靠性，將功率管焊接在鋁盒體內對其進行高低溫測試和高溫老煉，圖12為高低溫測試盒照片。相較于常溫，85 ℃下，功率管輸出功率下降0.5～0.6 dB;-55 ℃下，功率管輸出功率上漲0.4～0.5 dB，且無自激現象。高低溫試驗后復測常溫，功率管指標未見明顯變化。85 ℃下，對功率管進行96小時射頻老練，恢復常溫后復測，功率管指標未見明顯變化。試驗結果表明，功率管可靠性滿足一般工程使用需求。

4? 結? 論

采用兩只總柵寬100? mm的GaN HEMT，本文研制了一款36 V，工作在1.14～1.26 GHz輸出功率大于600 W的內匹配功率放大器，并驗證了其可靠性。本文研制的功率管尺寸只有33 mm×17 mm×2 mm，重量只有3.5 g，相較于傳統預匹配功率管優勢明顯，顯示出卓越的性能，具有廣闊的應用前景。

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作者簡介：王曉龍（1988—），男，漢族，河北大名人，工程師，碩士，研究方向：功率放大器。