金 輝，陶洪琪，余旭明

（南京電子器件研究所 微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016）

0 引 言

近年來，氮化鎵寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)在科學(xué)和工程領(lǐng)域取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其高功率密度、高擊穿電壓、高效率等顯著優(yōu)點(diǎn)，使得氮化鎵功率放大器芯片相對(duì)于傳統(tǒng)的砷化鎵第二代半導(dǎo)體表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)。

功率放大器的附加效率越高意味著越多的直流功耗轉(zhuǎn)化為射頻輸出功率和更低的熱耗產(chǎn)生，對(duì)節(jié)能減排、系統(tǒng)散熱具有直接的意義。因此對(duì)于功率放大器附加效率的追求經(jīng)久不衰[1-4]。本文基于南京電子器件研究所0.20 μm GaN HEMT工藝，設(shè)計(jì)了一種寬帶低損耗輸出匹配電路拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)了一款三級(jí)電抗匹配式功率放大器芯片，提高功率放大器的工作帶寬和附加效率。通過將單電容設(shè)計(jì)為雙電容串聯(lián)形式，降低了電場(chǎng)強(qiáng)度，極大地提高了芯片的可靠性。

1 電路設(shè)計(jì)

圖1為GaN功率放大器原理圖，首先根據(jù)輸出功率和輸出匹配電路損耗選擇合適的末級(jí)總柵寬，其次根據(jù)HEMT管芯的功率增益和級(jí)間匹配電路的損耗確定第二級(jí)和第一級(jí)管芯的總柵寬，最后設(shè)計(jì)輸入匹配電路，獲得良好的輸入駐波。本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的輸出匹配電路。利用漏極偏置微帶和漏極去耦電容產(chǎn)生的感性阻抗匹配HEMT管芯輸出阻抗的容性阻抗，再通過一級(jí)LC（C1、L4）匹配到50 Ω隔直后輸出，具有頻帶寬、損耗低的特點(diǎn)。輸出匹配損耗仿真結(jié)果如圖3所示。

功率放大器的匹配是基于負(fù)載線匹配而非低噪放和驅(qū)動(dòng)放大器的共軛匹配設(shè)計(jì)。HEMT管芯最佳輸出功率阻抗和最佳效率阻抗可以通過loadpull測(cè)試系統(tǒng)較容易的獲得[5-6]。圖4為末級(jí)管芯單胞的最佳輸出功率阻抗、最佳效率阻抗及末級(jí)輸出電路設(shè)計(jì)阻抗位置。設(shè)計(jì)位置靠近最佳效率點(diǎn)，兼顧功率點(diǎn)。末級(jí)輸出電路承受直流和射頻功率最大，可靠性需要仔細(xì)設(shè)計(jì)。通過HFSS有限元仿真，如圖5所示，單電容上下極板的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到2.02×108V/m，而改為雙電容串聯(lián)后，電場(chǎng)強(qiáng)度明顯降為1.43×108V/m，大大提高了芯片的可靠性。

圖1 三級(jí)放大器工作原理圖

級(jí)間匹配以功率匹配為主，兼顧增益平坦度，輸入匹配以達(dá)到較好的輸入駐波為主，兼顧增益平坦度。

2 測(cè)試結(jié)果

芯片實(shí)物及測(cè)試夾具照片如圖6所示，尺寸為3 mm×3 mm，柵壓Vg=-2.0 V，漏壓Vd=28 V（100 μs脈寬，10%占空比），在13～15.5 GHz頻帶內(nèi)，測(cè)得輸出功率達(dá)到20 W，附加效率＞42%，最高效率達(dá)到47%；漏壓連續(xù)波測(cè)試條件下，功率≥16 W，附加效率＞31%，最高效率達(dá)到35%，如圖7所示；線性增益＞30 dB，輸入駐波＜2，如圖8所示。熱臺(tái)溫度+70 ℃，直流耗散功率35 W條件下，熱阻典型值1.6 ℃/W。與其他相關(guān)產(chǎn)品的比較如表1所示。

圖2 末級(jí)輸出匹配電路拓?fù)鋱D

圖3 末級(jí)輸出匹配電路仿真損耗

圖4 單管胞最佳功率匹配位置、最佳效率匹配位置及輸出匹配電路阻抗位置

圖5 輸出匹配電路HFSS三維電磁仿真結(jié)果

圖6 芯片實(shí)物照片及裝配后測(cè)試夾具

圖7 功率及效率測(cè)試結(jié)果

圖8 線性增益及小信號(hào)駐波測(cè)試結(jié)果

圖9 熱阻測(cè)試紅外圖像

3 結(jié) 論

本文基于0.20 μm GaN HEMT工藝設(shè)計(jì)了一款13～15.5 GHz 20 W功率放大器芯片。設(shè)計(jì)了一種寬帶低損耗輸出匹配電路，并將電容分為兩個(gè)電容串聯(lián)的形式，明顯降低了電容上下極板的電場(chǎng)強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果表明，13～15.5 GHz頻帶內(nèi)，漏壓100 μs，10%占空比條件下，測(cè)得功率達(dá)到20 W，效率≥42%，最高效率達(dá)到47%。連續(xù)波測(cè)試功率典型值16 W，附加效率＞31%，最高附加效率達(dá)到35%，熱阻典型值1.6 ℃/W，附加效率指標(biāo)高，為芯片自主可控提供重要保障。

表1 Ku波段GaN功率放大器比較