S波段GaN大功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 斐 周永偉 馬云柱 王海濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

隨著功率器件的不斷發(fā)展，軍用雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)的要求也逐漸上升，不僅僅要具有高可靠性、長(zhǎng)壽命、易維護(hù)等特點(diǎn)，同時(shí)在體積要求越來(lái)越小的情況下，還要適應(yīng)更高的環(huán)境溫度。以GaN、SiC為代表的寬禁帶材料生長(zhǎng)技術(shù)及氧化、摻雜、歐姆接觸等工藝的成熟，寬禁帶功率器件得到很大發(fā)展，憑借其眾多優(yōu)勢(shì)，更適合制造高溫、高頻以及高功率器件。

寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì):a.具有高的熱導(dǎo)率，能夠較快的轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的熱量，廣泛應(yīng)用于高頻和高功率領(lǐng)域;b.漏電流極小，大幅度提高器件的擊穿電壓，同時(shí)能夠進(jìn)一步抑制電流崩塌，從而提高器件的功率密度、功率附加效率和功率增益，且在工藝中容易實(shí)現(xiàn);c.具有比一般半導(dǎo)體更低的介電常數(shù)和更高的電子飽和率;d.更高的漏極效率。

2 器件結(jié)構(gòu)及工作原理

與GaAs MOSFET結(jié)構(gòu)形式相似，核心材料換為GaN，生成的氧化層成分也有區(qū)別，但是工作原理是一樣的。兩種FET都屬于N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。要使耗盡型N溝道MOSFET工作，要在G、S之間加負(fù)電壓VGS及在D、S之間加正電壓VDS，則產(chǎn)生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。耗盡型MOSFET是在制造絕緣層中有大量的正離子，使在P型襯底的界面上感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，即在兩個(gè)N型區(qū)中間的P型區(qū)形成導(dǎo)電溝道，所以在VGS=0時(shí)，有VDS作用時(shí)也有一定的ID(IDSS);當(dāng)VGS有電壓時(shí)(可以是正電壓或負(fù)電壓)，改變感應(yīng)的負(fù)電荷數(shù)量，從而改變ID的大小。VGSoff為ID=0時(shí)的VGS，稱(chēng)為夾斷電壓。對(duì)于此MOSFET，若先不接VGS(即VGS=0)，導(dǎo)電溝道較寬，電阻很小(幾乎接近0歐姆)，在D與S極之間加一定幅度的正電壓VDS，將會(huì)瞬間擊穿MOSFET，所以要先加?xùn)艠O電壓，通過(guò)改變柵極電壓來(lái)改變導(dǎo)電溝道的寬度，從而調(diào)整導(dǎo)通電阻達(dá)到一定范圍，保證加上一定幅度的漏極電壓不損壞MOSFET。

圖1 GaN MOSFET結(jié)構(gòu)原理圖

3 仿真與設(shè)計(jì)

雖然GaN功率管有眾多的優(yōu)勢(shì)，但是由于是新器件，市場(chǎng)應(yīng)用率較小，許多問(wèn)題還未暴露出來(lái)。同時(shí)由于它們之前主要應(yīng)用于通信頻段，對(duì)于軍用頻段，不同的工作模式下工作情況還沒(méi)有得到驗(yàn)證。

本文主要是憑借對(duì)NITRONEX公司提供的GaN MOSFET功率管NTP25100進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試，進(jìn)行工程應(yīng)用研究。

3.1 單管放大電路的仿真與設(shè)計(jì)

根據(jù)器件資料提供的信息，NTP25100推薦工作在AB類(lèi)(結(jié)合測(cè)試情況，可以確定根據(jù)使用要求的不同，NTP25100完全可以工作在B類(lèi)甚至C類(lèi))，所以不用對(duì)電源進(jìn)行調(diào)制。和以往的GaAs器件和Si器件對(duì)比，它的效率要高出很多。

對(duì)于放大器，有完全內(nèi)匹配和非內(nèi)匹配功率管，對(duì)于內(nèi)匹配又有輸入輸出都匹配到50Ω和非50Ω。若輸入輸出都匹配到50Ω，不需要再做任何阻抗匹配，只需做電源偏置匹配即可;若輸入輸出都是非50Ω，所以電路需要再次進(jìn)行阻抗匹配變換，使之最終的輸入輸出阻抗變換為50Ω，才能達(dá)到整個(gè)電路系統(tǒng)的匹配。

對(duì)于放大器NTP25100，輸入輸出都是非50Ω，所以電路需要進(jìn)行相應(yīng)的阻抗變換匹配和電源偏置匹配。根據(jù)多節(jié)阻抗變換原理，假設(shè)每節(jié)長(zhǎng)度等于變換器中心頻率上波導(dǎo)波長(zhǎng)的1/4、1/16或者1/32，它們的特性阻抗分別為 Z1、Z2、Z3、Z4…Zn，該變換器鏈接在特性阻抗分別為Z0和ZL兩端主線之間要求達(dá)到寬帶匹配，又Z0＞ZL，則在第n節(jié)變換器末端，反射系數(shù)為:

式中θ=βl為每一節(jié)上的相位移，該變換器總的反射系數(shù)在一級(jí)近似下(只取各節(jié)一次反射波的總和)可以表示:

理論上Γ值越小越好，實(shí)際電路中工程因素的影響并不可能達(dá)到理論值。本設(shè)計(jì)的目的是寬帶、小型化，通過(guò)合理的選擇和仿真優(yōu)化，為了有效節(jié)省空間距離，我們采用分布參數(shù)和集中參數(shù)相結(jié)合的辦法有效簡(jiǎn)化電路，同時(shí)結(jié)合NITRONEX公司提供的窄帶匹配拓?fù)潆娐罚贏DS上建模仿真，得到滿意的結(jié)果。同時(shí)為確保場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作狀態(tài)，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的偏置電路，從而把控制電壓通過(guò)偏置電路加在晶體管各電極上。由于偏置電路設(shè)計(jì)的好壞對(duì)射頻主電路的微波特性影響較大，可能導(dǎo)致引入大的附加損耗、反射以及高頻能量沿偏置電路的漏泄。所以微波功率管的偏置電路設(shè)計(jì)是十分重要的。

如圖4所示，一般采用一段長(zhǎng)度為λg/4的高阻線和旁路電容作射頻扼流。偏壓應(yīng)從高、低阻抗的交接點(diǎn)接入，該點(diǎn)對(duì)高頻等效短路，由該點(diǎn)再經(jīng)λg/4的高阻線到達(dá)主線與高阻線交點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)阻抗理論上應(yīng)為無(wú)限大，該點(diǎn)對(duì)高頻等效開(kāi)路，從而確保直流偏置對(duì)主線無(wú)影響。在本設(shè)計(jì)中，以最小插入損耗和最小端口駐波為目標(biāo)，利用安捷倫公司的微波軟件ADS對(duì)偏置電路進(jìn)行優(yōu)化，并考慮到寬帶設(shè)計(jì)問(wèn)題，高頻旁路采用了旁路電容。加上偏置電路后，即得到本設(shè)計(jì)最終的單級(jí)放大電路模型，如圖2所示。偏置電路的實(shí)際生成版圖如圖4所示。

在ADS下建模，板材選用羅杰斯的R4053，板厚30mil，介電常數(shù)3.5，仿真結(jié)果如圖3所示。

由于電路中代入的是功率管模型的S2P參數(shù)，即整個(gè)電路的仿真條件幾乎和實(shí)際電路使用情況是一樣的，并非理想狀態(tài)。通過(guò)仿真結(jié)果我們可看出，在2.1GHz～2.7GHz范圍內(nèi)兩端口的駐波都在1.4以下，可以滿足使用要求。生成實(shí)際版圖如圖4所示。

圖4 偏置電路印制板圖

3.2 電源及控制

同GaAs MOSFET器件一樣，為使GaN MOSFET安全正常工作，其工作電壓必須依一定次序加上，首先加上柵極電壓VGS(-1.5 V)，然后加上漏極正壓VDS(+28 V)，并且應(yīng)具有無(wú)柵壓時(shí)，漏壓加不上的保護(hù)措施。所以應(yīng)設(shè)計(jì)電源定序電路，28V的加載要通過(guò)-5 V電源的加載控制，以保證在沒(méi)有柵壓的情況下，正壓無(wú)法加上，從而使管子安全地工作。電路中首先對(duì)柵極電壓VGS進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果和負(fù)壓電源基準(zhǔn)作比較，比較結(jié)果按TTL高低電平輸出;漏極正壓VDS由一只P溝道的MOSFET制，柵極電壓VGS采樣結(jié)果控制P溝道MOSFET的通斷，從而保證柵極電壓VGS優(yōu)先于漏極正壓VDS加到GaN MOSFET上。

4 實(shí)物與測(cè)試結(jié)果

裝配的單個(gè)模塊的實(shí)物如圖5所示。

圖5 實(shí)物照片

由于各個(gè)功率管性能參數(shù)上存在一定的差異，實(shí)物裝配之后并沒(méi)有得到預(yù)期的效果，中心頻率偏高，增益和輸出功率偏低。通過(guò)對(duì)旁路電容、匹配電容的位置、容值范圍小的調(diào)整，得到表1測(cè)試結(jié)果。

表1 模塊實(shí)測(cè)結(jié)果(飽和輸出)

測(cè)試條件:輸入功率37dBm，漏極電壓28V，柵極電壓-1.5V，脈沖寬度50μs，占空比15%。

結(jié)論:模塊工作時(shí)有一定的散熱系統(tǒng)，可以保證模塊溫度高出實(shí)驗(yàn)室溫度10℃以?xún)?nèi)，經(jīng)過(guò)約30min的連續(xù)工作，模塊的輸出功率沒(méi)有明顯變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為工作30min后測(cè)試(見(jiàn)表2)。

表2 模塊實(shí)測(cè)結(jié)果(飽和輸出)

測(cè)試條件:輸入功率37dBm，漏極電壓28V，柵極電壓-1.5V，連續(xù)波信號(hào)。

結(jié)論:加電初始狀態(tài)，模塊輸出功率接近脈沖模式輸出功率，隨后慢慢下降，以上測(cè)試數(shù)據(jù)是模塊工作狀態(tài)穩(wěn)定后測(cè)試，比初始狀態(tài)下降約10%左右，模塊溫度上升較快，穩(wěn)定后比環(huán)境溫度上升約25℃，功率管頂部殼體溫度較高，比環(huán)境溫度高出約35℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為工作30min后測(cè)試。

測(cè)試條件:輸入功率20dBm，漏極電壓28V，柵極電壓-1.5V，連續(xù)波信號(hào)，工作20min后測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表3)。

表3 模塊線性增益實(shí)測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，GaN功率管優(yōu)勢(shì)明顯:效率高、帶寬寬、增益高、適應(yīng)高溫能力強(qiáng)?？蛇B續(xù)波、脈沖工作，對(duì)S波段Si功率器件有較大的沖擊，同時(shí)又對(duì)用戶提出了更高的要求。測(cè)試中我們也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，管子在脈沖下工作時(shí)，柵極電壓受漏極電壓牽引較大，對(duì)管子的可靠性有較大的考驗(yàn)，特別是在多路功率合成中可能存在較大的問(wèn)題，必然會(huì)引起各路電源之間的干擾(見(jiàn)表4)。

表4 幾種典型器件參數(shù)對(duì)比

對(duì)于GaN功率管的研究，我們將會(huì)一直繼續(xù)下去，因?yàn)樗鼘?duì)于推動(dòng)寬禁帶功率放大器的應(yīng)用具有重要意義，同時(shí)在雷達(dá)、通訊系統(tǒng)等領(lǐng)域的寬帶、高效率、高功率等方面的發(fā)展具有積極的推進(jìn)作用。

5 應(yīng)用前景

本文放大器采用了微波GaN MOSFET作為基本放大器件，它既能連續(xù)波工作，又能以脈沖工作，對(duì)其高增益、高效率、帶寬寬的優(yōu)異性能得到驗(yàn)證。從放大器測(cè)試結(jié)果可以看出，功放的設(shè)計(jì)研制是成功的，取得了預(yù)期效果。結(jié)合以往的設(shè)計(jì)及工程經(jīng)驗(yàn)，我們可以做平面合成，甚至作空間合成，若工程需要完全可以實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)甚至更大功率的合成輸出功率。

［1］劉海濤，陳啟秀.寬禁帶半導(dǎo)體功率器件［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，1999，(2).

［2］朱洪偉，黃寧，諸建平.寬帶固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)(增刊)，2009.

［3］Edward D.Ostroff Michael Borkowski et al.Solid-State Radar Transmitters.

［4］王文祥.微波工程技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社.