李文龙，陶洪琪，余旭明

（南京电子器件研究所 微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室，江苏 南京 210016）

0 引 言

微波系统中，末级功率放大器的性能对发射通道的特性起决定性作用。氮化镓作为第三代半导体材料，具有更高的效率、更高的热导率、更高的功率密度和更大的禁带宽度等优点，在无线微波通信等民用、军用领域有着广阔的应用前景[1-4]。

提高功放芯片附加效率，可以使芯片的耗散功率减小，同时也降低了芯片温升，最终能有效提高芯片的可靠性。基于此，研制高效率GaN功率单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuits，MMIC）对满足新一代微波系统的需求有重要意义[5-7]。

本文基于0.25 μm栅长的GaN HEMT工艺，使用损耗较低的电抗匹配结构，采用三级放大电路拓扑，保证电路增益同时拓展了带宽。

1 电路设计

0.25 μm栅长的GaN HEMT工艺管芯具有一定的功率密度，综合考虑末级匹配损耗和所需输出功率的大小确定末级管芯的总栅宽，放大器的级数由所需增益确定。前级推动大小对放大器整体效率起到至关重要的作用。末级总栅宽确定的前提下，输出功率存在上限，前级推动偏小输出功率不足，前级推动偏大，总电流偏大，两者都会降低效率。图1所示为400 μm GaN HEMT管芯在10 GHz频率下LoadPull仿真测试数据。前级管芯栅宽需要根据增益和功率密度合理选择。如图2所示，本文中末级管芯栅宽为3.6 mm，第二级管芯栅宽为0.6 mm，第一级管芯栅宽为0.3 mm。

图1 400 μm GaN HEMT管芯loadpull仿真测试

图2 管芯栅宽大小

本放大器采用微带线的结构进行设计，由于频率较高，微带线距离不易过近，过近产生串扰的同时，所传输的信号也有一定程度的衰减[8]。漏偏置微带线不仅参与匹配承受射频信号，还需要直流加电，需要着重考虑线宽的耐电流能力，线宽不易过窄。着重考虑栅偏置稳定性，采用有耗RC网络。级间匹配网络和末级匹配网络均为电抗匹配，减小输出匹配网络的插入损耗，实现高增益。功率放大器的匹配网络不仅是用来进行阻抗变换，同时它还制约着放大器的驻波比、功率增益、输出功率以及功率附加效率等特性。

图3所示为放大器的输出匹配电路，C1、L1为漏偏置电容和漏偏置电感，和C2、C3、L2和L3共同组成末级输出匹配电路，其中串联电容C3在输出端还起到隔直流防静电的作用。输出匹配网络将FET管芯最佳效率匹配时的阻抗变换到50 Ω输出，仿真得到如图4所示的末级匹配电路损耗和如图5所示的单管胞最佳功率匹配位置、最佳效率匹配位置及输出匹配电路阻抗位置。输出匹配电路在8～12 GHz频带内，匹配损耗不超过0.6 dB，并且兼顾最佳功率和最佳效率匹配，具有宽频带、低损耗的特点。

图3 末级输出匹配电路拓扑

图4 末级输出匹配电路仿真损耗

图5 最佳效率匹配、最佳功率匹配及输出匹配阻抗位置

减小匹配电路损耗是提高效率的重要方法，但存在一定的局限。在末级输入端引入二次谐波控制技术，可以使芯片效率在基波匹配的基础上获得较大提升。如图6所示，漏极电压电流在时域上的波形交叠区域越少，芯片直流功耗越小，相应的效率就越高。末前级引入的二次谐波阻抗匹配LC支节，如图7所示。

图6 漏极电压电流的时域仿真波形

图7 二次谐波匹配示意图

2 测试结果

本文设计的芯片传输方向长度为2.8 mm，垂直传输方向的宽度为2.4 mm。根据芯片尺寸设计了X波段测试夹具，HFSS仿真夹具模型无谐振频点。实物及测试夹具照片如图8所示。信号测试结果如图9所示。测试结果表明，该放大器在8～12 GHz频段内，小信号增益＞30 dB，脉冲饱和输出功率达到22 W，全频段附加效率＞51%，9.5 GHz最高效率达到57%。连续波饱和输出功率大于20 W，全频段附加效率＞46%。与其他相关产品的比较如表1所示，具有较高的效率。

表1 主要性能比较

图8 芯片实物及测试夹具

图9 信号测试结果

3 结 论

本文基于0.25 μm GaN HEMT工艺设计了一款8～12 GHz 20W功率放大器芯片，设计了一种宽带低损耗输出匹配电路，并将电容分为两个电容串联的形式，明显降低了电容上下极板的电场强度。测试结果表明，8～12 GHz频带内，10%占空比条件下，测得功率达到20 W，效率≥51%，最高效率达到57%。连续波测试功率典型值为20 W，附加效率＞46%，最高附加效率达到53%，热阻典型值2.5 ℃/W，附加效率指标高，为芯片自主可控提供重要保障。