高增益宽频带GaN功率放大器设计

张佳浩（山东科技大学电子通信与物理学院，山东青岛，266510）



高增益宽频带GaN功率放大器设计

张佳浩
（山东科技大学电子通信与物理学院，山东青岛，266510）

摘要：针对新一代半导体材料氮化镓（Gallium Nitride，GaN）带宽大、效率高的优点，利用ADS谐波平衡仿真软件，设计了一个1.5~2.5GHz宽带高效的功率放大器。设计采用Cree公司的GaN 高电子迁移率晶体管CGH40010F，利用晶体管的大信号模型进行电路仿真，结果显示，功放在1.5~2.5GHz频带内，饱和输出功率大于41.7dBm，小信号增益大于18dB，功率附加效率大于70%。

关键词：氮化镓；功率放大器；效率；电抗匹配

0　引言

随着现代通信技术的不断发展，能量耗损对通信系统的要求越来越高，而功率放大器是通信系统能耗的一个重要组件，因此超宽带、高效率的功率放大器成为现代通信系统发展的迫切需求。第三代半导体材料GaN高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor， HEMT）具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度大、热导率高、抗辐射能力强等突出特点，特别适合于制作高频、高压、高效、大功率微波器件，基于GaN HEMT的高效功率放大器目前已广泛应用于雷达和通信等领域。

本文利用Cree公司CGH40010F GaN高电子迁移率晶体管的大信号模型进行稳定性分析，构建稳定电路和阻抗匹配电路，搭建功率放大器电路。阻抗匹配电路运用切比雪夫宽带匹配的设计原理，实现1.5~2.5GHz频段内阻抗的良好匹配，且输出功率高达41.7dBm，PAE＞70%，增益大于18dB。

1　功率放大器设计

1.1静态工作点的选择

功率放大器依据输入输出信号的不同关系可以分成不同的类别，主要分为：A、B、AB、C、D、E和F这几类。为有源器件配置不同的偏置条件，就可以使放大器工作在不同的状态（即不同的类）。本文设计的功放工作在AB类模式下，其效率和线性度能够实现较好的折中。

Cree公司的GaN HEMT器件CGH40010F，工作频段在DC~6GHz，最大输出功率为13W，结合晶体管手册可以得到静态工作点为漏极电压VD=28V，栅极电压VG= -2.7V，漏极电流ID=219mA，略大于手册中200mA的漏极电流。

1.2偏置电路和稳定性分析

偏置是放大器设计的重要部分，可以给晶体管提供有效激励，偏置电路可以集成在匹配网络中，也可以是独立的，当偏置电压作用于器件时，RF能量不能通过偏置端口泄露，否则RF的性能将会降低。比较不同的偏置电路后，本设计选择独立的偏置网络给晶体管提供有效的激励，主要由一个DC模块和射频扼流圈组成。

设计放大器时还需要对电路进行稳定性分析，在电压波动和阻抗波动时都要保证稳定因子k＞1，B＞0。稳定因子k和B可表示为：

其中

如果k＞1，那么电路就是无条件稳定的。对CGH40010F进行稳定性分析可得，在1.5~2.5GHz频段内，k＜1，电路是不稳定的，因此，还要加入一个典型的RC并联电路，使放大器在该频段内保持稳定。

1.3匹配网络的设计

在ADS中，对CGH40010F进行源/负载牵引仿 真 测试，得到中心频率2GHz处最佳PAE输入/输出阻抗，Zout=18.3+j*12.3Ω，Zin=5.1-j*2.4Ω。功率放大器的端口阻抗均为50Ω，因此需要进行阻抗变换，在进行阻抗变换之前，先用λ/8变换器将复阻抗变换到一个实阻抗，其变换公式如下：

为了实现宽频带的匹配，设计采用切比雪夫变换器的方法将输入/输出阻抗匹配到50Ω，λ/4二阶切比雪夫变换器的Z1数据如表1所示。

表1　λ/4二阶切比雪夫变换器的Z1数据表

表1　λ/4二阶切比雪夫变换器的Z1数据表

?

其中，R为匹配阻抗之比，ωq为相对带宽，

根据切比雪夫变换器的数据表，查找对应的数据，再进行逆归一化得到微带线阻抗值，利用ADS的微带线计算工具，计算匹配网络微带线的尺寸。

2　实验结果

设计采用FR-4环氧树脂板，εr=4.3，介质板厚度为0.8mm。图1是功率放大器的电路图，仿真得到的结果如图2所示。由图2可以看出功率放大器输入功率为30dBm时，输出功率大于41dBm，PAE大于70%。

3　结论

本文依据CGH40010F的大信号模型，设计了一个1.5~2.5GHz 的GaN功率放大器。设计主要是对输入输出匹配方式的选择和匹配网络的实现。在对电路优化的基础上，对构成匹配网络的微带线进行计算，实现了阻抗的良好匹配。在1.5~2.5GHz的频段内，测得小信号增益大于18dB，输出饱和功率大于41dBm，带内PAE的最大值超过70%。

参考文献

［1］王丽，王翠梅.第3代半导体材料GaN基微波功率器件研究和应用进展.新材料产业2014，No.3：13-17

［2］陈铖颖，ADS射频电路设计与仿真从入门到精通.北京：电子工业出版社，2013

［3］谢晓峰，肖仕伟，沈川.1～2GHz宽带GaN功率放大器的设计与实现.微电子学2013.6，Vol.43，No.3：325-328

［4］GEORGE L. MATTHAEI，LEO YOUNG，E.M.T.JONES. Microwave Filters， Impedance-Matching Networks， and Coupling StructuresUSA，BookMark Press 1985.11

Design of the GaN power amplifier for high gain and ultra-wideband

Zhang Jiahao
（College of Electronic Communication and Physics，Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong，266510）

Abstract：This letter designs a 1.5~2.5GHz broadband highly efficient PA using the ADS harmonic-balanced simulator based on GaN，a new semiconductor materials with wide bandwidth and high efficience.The PA was designed with Cree’s GaN HEMT CGH40010F，and simulated with its large signal model.The result shows that the PA had a saturated power above 41.7dBm，a small signal gain over 18dB and the PAE above 74% in 1.5~2.5GHz frequency band.

Keywords：GaN；Power amplifier；Efficience；Reactive matching network

作者简介

张佳浩（1990-），男，硕士研究生，研究方向：通信与信息系统。

图1　功率放大器电路图

图2　功率放大器仿真结果