L、S 波段超宽带GaN 功率放大器设计与实现

陈然 宋学峰

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050001）

近年来，以氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体技术在科学和工程领域突飞猛进地发展，以其高功率密度、高击穿电压、高效率等明显优势推动着GaN 单片微波电路(MMIC)工艺技术高速发展，日趋成熟。以GaN MMIC 功率放大器芯片为基础的宽频带、大功率、高效率功率器件也逐渐向高频率、大功率、低成本、高集成度、多功能等方向发展。当前各实际应用场景中，对功率器件工作带宽的要求，尤其对跨频段超宽带应用的需求十分迫切。

本文介绍的GaN 超宽带功率放大器正是针对一种常用的L、S 波段跨频段超宽带的应用需求设计并实现的。该L、S 波段超宽带GaN 功率放大器芯片选用0.25μm GaN HEMT工艺进行设计与制作。采用末级八胞功率合成、两级级联放大、超宽带低损耗输多支节电抗匹配网络等设计技术完成电路原理图设计，并利用电路仿真软件进行整体电路参数的优化和电磁场仿真和芯片版图设计。通过工艺流片，最终实现了功放芯片在1.2-3.5GHz 频带内，脉冲工作条件下饱和输出功率大于25W，功率附加效率大于40%，功率增益大于26dB，实现了L 波段和S 波段跨频段超宽带、大功率、高效率应用。

1 功率放大器芯片的设计

1.1 工艺设计

综合考虑频带、功率水平等因素与有源器件栅长的关系，较低频段的功率放大器芯片可以选用较长栅长的工艺进行制作。这样可以在保证工作频率内能够获得足够高的功率增益的情况下，获得更高的功率密度，从而缩小芯片尺寸，节约成本。

本文设计的功率放大器芯片采用0.25 μm GaN HEMT 工艺制作。该工艺经过长期的材料性能结构分析研究和优化设计提升，以及工艺能力的建设和生长技术的稳定，器件的性能良好、可靠性高，工艺可重复性好、可生产性好、可靠性高。其主要工艺流程如图1 所示。

图1： 4 英寸0.25 μm GaN HEMT MMIC 加工工艺流程

1.2 电路与结构设计

电路的设计过程包括：电路拓扑结构设计、电路性能参数优化、电磁场仿真和电路版图的设计。本文介绍的L、S波段超宽带GaN 功率放大器芯片电路设计时需考虑工作带宽、输出功率、功率增益、功率附加效率等指标要求。

1.2.1 确定有源器件

综合考虑频带、功率水平因素，本文设计的功率放大器芯片采用0.25 μm GaN HEMT 工艺制作。考虑到工作频率、散热、工艺制造等因素，宜采用的器件单指栅宽定为100μm。考虑到前后级推动比的选取对电路的效率特性很大，当推动比过大时，前级有源器件会产生更多的直流功耗，使效率降低；推动比太小时，则前级有源器件提前进入饱和工作区，使电路功率整体压缩，效率也会降低。通过仿真设计，确定前后级推动比为1:4，从而保证前级有源器件工作在线性区，既能够推动后级器件，也避免前级直流电流过大，造成功耗浪费。

1.2.2 负载阻抗牵引

对选定的有源器件进行loadpull 负载阻抗牵引仿真，可得出有源器件的最佳效率圆和最佳功率圆，如图2 所示。可以看出，对于超宽带匹配，不仅最佳效率圆和最佳功率圆的圆心是分离的，阻抗点的相对位置还随频率变化而变化。因此，如何在最佳效率圆和最佳功率圆中折中选取每个频点合适的阻抗点，并考综合虑超宽带各个频点的阻抗及匹配网络的实现方式，是超宽带功率放大器输出匹配的难点所在。

图2： 器件最佳功率圆（细线）与最佳效率圆（粗线）

1.2.3 输出匹配网络设计

理想情况下，输出匹配网络设计应选取合适的匹配网络结构与电路参数，使其与晶体管的最佳效率匹配点形成共轭匹配，从而使有源器件的效率特性得以最大限度发挥。不同于窄带的阻抗匹配，宽带内不可能每个频点都达到最佳匹配。因此，需要折衷考虑带宽、插入损耗和驻波比等指标，选择最佳的匹配网络。对于超宽带输出匹配网络的设计，其主要的难点在于，随着频率升高，晶体管最大增益和效率越低，并且带宽增加时，功放的阻抗匹配随之变差，导致效率降低。

宽带匹配遵循Bode-Fano 法则，带宽与反射系数之间存在制约关系，更大的带宽通常会导致更高的最小反射系数。当采用多节级联匹配网络时，带宽会越大，同时其反向系数值会越小。然而，节数越多会引入更多的无源元件，往往占用更多的面积，引入更大的插入损耗。如图3 所示。

图3： 多节级联匹配网络示意图

为了使插入损耗和回波损耗尽可能小，采用电抗匹配结构设计输出网络。为了获得足够的带宽，采用低Q 值多级电抗匹配网络，通过多级电抗匹配网络进行组合的设计方案，实现足够的带宽。综合考虑上述因素，输出匹配网络选取两节T 型匹配网络，即可保证要求带宽及驻波，也能有较小的插入损耗，如图4 所示。

图4： 低Q 值多级电抗匹配网络结构

综合考虑频率、合成损耗、偏置线宽的影响，经仿真对比，设计了4 胞合成漏极偏置网络，如图5 所示。先进行4 胞功率合成，再进行利用微带线和去耦电容产生的感性阻抗匹配有源器件输出阻抗中的容性，对高频信号进行隔离，对低频信号进行旁路，防止电路自激振荡。

图5： 4 胞合成漏极偏置网络结构

1.2.4 级间匹配和输入匹配网络设计

输出匹配网络设计完成后，根据匹配出的有源器件功率增益，结合级间匹配网络的损耗，确定前级有源器件的总栅宽，最后设计输入匹配电路，获得良好的输入驻波。级间匹配网络的设计主要考虑功率的低损耗传输、获得足够的增益，并保证带宽和平坦度；输入匹配网络的设计需要最终调节增益平坦度，并获得较好的输入驻波。

对于超宽带电路的级间匹配网络，如图6 所示的低通LC 匹配支节和高通CL 匹配支节可以分别对频带低端和频带高端起到较好的匹配效果。因此，采用低通LC 匹配支节和高通CL 匹配支节的组合带通网络，可以有效实现超宽带电路级间匹配。本文设计的功率放大器芯片的级间匹配网络如图7 所示。该级间匹配网络结构实现了末级有源器件的输入阻抗到前级有源器件的输出阻抗的变换，使得前级有源器件能够输出足够的功率，并经过输小的损耗，传输到末级有源器件中。输入匹配网络采用两阶LC 网络和RC 并联稳定网络，调节整个电路的增益平坦度和驻波。电路整体原理图如图8 所示。

图6： T 型高低通简化结构

图7： 级间匹配网络结构

图8： 整体电路结构图

1.3 电磁场仿真与优化设计

考虑到芯片元器件之间的电磁耦合效应和芯片的实际制作，功放芯片需进行版图设计和仿真优化，以获得优异的电性能。基于上述这些必要的匹配网络，通过电磁场仿真和无源参数的优化，实现所需的电路性能和较小芯片尺寸。版图设计中主要是要考虑到工艺兼容性和功率容量，在尽量缩小芯片面积的同时要充分考虑到带线与带线之间，带线与器件之间互干扰效应，通过电磁场分析来提高电路设计的精度。本文设计的功率放大器芯片电磁场仿真结果如图9 所示。

图9： 电磁场仿真结果

2 芯片制造与测试结果

本文设计的功率芯片制作采用0.25μm GaN HEMT 功率单片制作工艺，该工艺经过长期的材料性能结构分析研究和优化设计提升，以及工艺能力的建设和生长技术的稳定，器件的性能良好、可靠性高，工艺可重复性好、可生产性好、可靠性高。

最终制作的L、S 波段GaN 超宽带功率放大器芯片尺寸为4.60mm×3.40mm×0.08mm。芯片采用微波在片测试系统进行微波测试，测试结果表明，测试条件为Vd=+28V，Vg=-1.8V，脉宽100us，占空比10%，在1.2-3.5GHz 频带内饱和输出功率大于25W，功率附加效率大于40%，功率增益大于26dB，测试结果与设计仿真结果基本符合。芯片电性能测试曲线如图10 所示。

图10： 功率单片电性能实测结果

3 结束语

本文基于0.25μm GaN HEMT 单片工艺设计了一款L、S 波段GaN 超宽带功率放大器芯片。芯片采用多胞功率合成，两级放大的结构形式，利用无源电抗匹配网络实现输入、输出和级间匹配。研制出的GaN 超宽带功率放大器在1.2-3.5GHz 频带内脉冲饱和输出功率大于25W，功率附加效率大于40%，功率增益大于26dB，满足实际工程应用的需求。