徐永剛，李 飛，鐘世昌

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

微波功率放大器作為無線通信、電子戰(zhàn)和雷達(dá)中最重要的組成部分之一，它對整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的性能指標(biāo)有著重大影響[1-2]，隨著通信、電子戰(zhàn)和雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，功率放大器正朝著高效率、高功率、寬頻帶以及高線性的方向發(fā)展。人們對寬帶高效率功率放大器做了很多研究[3-5]。2010年，H.Sledzik等人研制出2～6 GHz超寬帶功率放大器，整個(gè)帶內(nèi)輸出功率大于40 W，漏極效率大于30%[6]。2011年，南京電子器件研究所的余旭明等人報(bào)道了一款2～4 GHz寬帶單片微波功率放大器芯片，脈沖輸出功率大于35 W，最大功率附加效率為35%[7]。2013年，C.Berrached等研究人員研制了一款準(zhǔn)單片內(nèi)匹配平衡功率放大器，在2～4 GHz頻帶內(nèi)脈沖輸出功率大于45 W，增益大于9.8 dB，漏極效率頻帶內(nèi)大于38%[8]。本文基于0.25 μm GaN HEMT工藝設(shè)計(jì)了一種S波段內(nèi)匹配功率器件，采用LC網(wǎng)絡(luò)和阻抗變換器相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)寬帶匹配，將兩個(gè)大柵寬功率管芯進(jìn)行合成實(shí)現(xiàn)大功率輸出，并對該器件進(jìn)行了大功率輸出測試。

2 寬帶大功率內(nèi)匹配器件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 GaN管芯

文中選用的GaN HEMT由南京電子器件研究所研制，AlGaN/GaN晶體管外延材料結(jié)構(gòu)截面圖如圖1所示，SiC襯底之上分別為成核層、摻Fe GaN緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層和GaN帽層，在GaN溝道層與AlGaN勢壘層之間有厚度約1 nm的AlN插入層。管芯采用對緩沖層摻雜適量Fe元素的方式提高了擊穿電壓。管芯采用“V”型柵結(jié)構(gòu)，直流測試得到器件兩端和三端擊穿電壓分別達(dá)到了180 V和160 V。

研制寬帶大功率連續(xù)波內(nèi)匹配器件，合理選擇功率管芯很重要。根據(jù)在S波段28 V工作電壓下連續(xù)波功率3.5 W/mm的輸出功率計(jì)算，設(shè)計(jì)輸出100 W功率的功率器件最小需要選擇28.8 mm柵寬的功率管芯。在南京電子器件研究所現(xiàn)有GaN功率管芯的基礎(chǔ)上，結(jié)合管芯的散熱情況，我們采用了兩個(gè)16 mm功率管芯進(jìn)行合成的方案。

圖2為具有200 μm單指柵寬和50 μm柵柵間距的16 mm GaN管芯的正面照片示意圖。管芯的整體尺寸為4.2 mm×0.9 mm×0.1 mm。

圖1 AlGaN/GaN晶體管截面示意圖

圖2 16 mm柵寬GaN管芯版圖

2.2 內(nèi)匹配電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

功率器件的匹配電路包括輸入匹配和輸出匹配[9]。GaN器件功率密度高，導(dǎo)致其模型對熱效應(yīng)非常敏感，負(fù)載牽引（Load-pull）測試直接包含了熱效應(yīng)，測試結(jié)果準(zhǔn)確，可以直接指導(dǎo)內(nèi)匹配電路設(shè)計(jì)，所以GaN器件多采用Load-pull的方法提取輸出阻抗。28 V漏極偏置電壓下，在中心頻率3 GHz對單胞0.4 mm GaN管芯進(jìn)行Load-pull測試，可以得出單胞管芯的最佳功率和最佳效率阻抗點(diǎn)。輸出阻抗可以等效成一個(gè)電阻和電容的并聯(lián)，考慮到最佳功率阻抗和最佳效率阻抗的折中，最終優(yōu)化出1 mm GaN管芯等效輸出電阻和等效輸出電容分別為88 Ω和0.5 pF，大柵寬管芯的輸出阻抗通過并聯(lián)來獲得。

寬帶大功率輸出匹配一般采用多階LC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配，但這種匹配方式往往導(dǎo)致電路的尺寸過大并且調(diào)試難度過大，本文采用LC網(wǎng)絡(luò)和四分之一波長阻抗變換器相結(jié)合的方法，在減小電路尺寸和易于調(diào)試的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬頻帶匹配。單個(gè)16 mm GaN管芯的等效輸出電阻和電容分別為5.5 Ω和8 pF，先用2階LC網(wǎng)絡(luò)將阻抗值提升至30 Ω，然后用一個(gè)四分之一波長變換器將30 Ω變換至100 Ω，如圖3所示。輸出電路的調(diào)試主要集中在兩階LC網(wǎng)絡(luò)上，該方法避免了多階LC造成的調(diào)試?yán)щy。L和四分之一波長傳輸線制作在介電常數(shù)為9.9、厚度0.38 mm的陶瓷基片上，C為介電常數(shù)85、厚度0.18 mm的陶瓷電容，最后，兩路信號在輸出端口合成至50 Ω。

圖3 16 mm GaN管芯輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

大柵寬GaN管芯的輸入阻抗值總是很小，Q值大，造成輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)十分困難。為了實(shí)現(xiàn)寬帶輸入匹配同時(shí)縮小電路尺寸，采用了四分之一波長阻抗變換器和準(zhǔn)MMIC相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，如圖4所示，所有的匹配元件和直流偏置電路均設(shè)計(jì)在一個(gè)GaAs芯片上，高介電常數(shù)使該芯片更緊湊，集成度更高，尺寸更小。準(zhǔn)MMIC芯片直接將單胞16 mm GaN管芯匹配到50 Ω，然后通過兩路合成器連接，整個(gè)內(nèi)匹配器件原理圖如圖5所示，兩路合成器采用傳統(tǒng)的威爾金森結(jié)構(gòu)，通過四分之一波長阻抗變換，實(shí)現(xiàn)50 Ω端口到100 Ω端口的變換，然后兩個(gè)100 Ω端口進(jìn)行合成實(shí)現(xiàn)50 Ω。

圖4 16 mm GaN管芯輸入匹配網(wǎng)絡(luò)

圖5 內(nèi)匹配器件總體拓?fù)涫疽鈭D

圖6為實(shí)現(xiàn)的雙路合成內(nèi)匹配器件正面裝配圖，電路采用常用的氣密性金屬封裝，封裝尺寸為17.4mm×24 mm。

圖6 內(nèi)匹配器件照片

3 測試結(jié)果

功率器件采用Au80%Sn20%焊料燒結(jié)到封裝管殼內(nèi)，然后進(jìn)行金絲鍵合及微波測試。由于器件尺寸較小，散熱通道有限，燒結(jié)的質(zhì)量顯得至關(guān)重要。圖7為內(nèi)匹配器件的測試結(jié)果，連續(xù)波，漏極電壓28 V，輸入功率為41 dBm，在2.0～4.0 GHz帶內(nèi)輸出功率大于100 W，峰值輸出功率為150 W，功率增益大于9 dB，效率大于45%，帶內(nèi)平坦度小于±0.85 dB。測試結(jié)果驗(yàn)證了內(nèi)匹配器件輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性，輸出匹配同時(shí)兼顧了功率和效率。

圖7 輸出功率與漏極效率測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文中，我們采用0.25 μm GaN HEMT工藝成功研制了S波段100 W GaN寬帶內(nèi)匹配功率放大器，準(zhǔn)MMIC用于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在很大程度上減小了電路尺寸，實(shí)現(xiàn)了器件的小型化。整個(gè)內(nèi)匹配器件集成在17.4 mm×24 mm的氣密性金屬封裝管殼內(nèi)，在工作頻帶內(nèi)連續(xù)波輸出功率最大150 W，效率最高為65%。研制的寬帶內(nèi)匹配器件能夠很好地滿足雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的需求。