蘇 鵬，顧黎明，唐世軍，周書同

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

作為雷達(dá)和通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件，功率放大器的能耗占到了系統(tǒng)能耗的很大一部分，所以提高單個(gè)功率放大器的效率和功率可以極大地降低系統(tǒng)的能耗，同時(shí)還能減小整機(jī)系統(tǒng)的尺寸和重量，這對(duì)于雷達(dá)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說至關(guān)重要。作為采用第三代寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料制作的功率器件，GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）具有功率密度大、擊穿電壓高、附加效率高、散熱能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在功率器件應(yīng)用領(lǐng)域相較于第一代半導(dǎo)體Si 和第二代半導(dǎo)體GaAs具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)GaN HEMT 器件能夠在更高的結(jié)溫條件下工作，這就使得GaN 器件能夠承受更大的熱耗，也就具有更大的輸出功率，能夠很好地滿足系統(tǒng)對(duì)高功率、高效率、小尺寸的性能指標(biāo)要求[1]。

近幾年，國內(nèi)外也有相關(guān)的文章報(bào)道了GaN HEMT 器件在Ku 波段的應(yīng)用，其輸出功率主要集中在100 W 以內(nèi)[2-5]。輸出功率超過100 W 的大功率放大器少有報(bào)道，主要是因?yàn)镵u 波段的功率放大器一般都采用MMIC 的形式設(shè)計(jì)制作，受芯片尺寸和散熱能力的限制，其輸出功率一般都在50 W 以內(nèi)，采用混合集成電路設(shè)計(jì)制作的Ku 波段放大器輸出功率也在100 W 以內(nèi)。傳統(tǒng)的功率管由于法蘭的存在會(huì)增加放大器的尺寸，針對(duì)Ku 波段雷達(dá)對(duì)功率放大器小尺寸、大功率、高效率的需求，本文研制了一款基于0.25 μm GaN 工藝、采用內(nèi)匹配電路形式設(shè)計(jì)制作的200 W 功放載片。功率放大器采用銅-鉬銅-銅載板作為載體，將GaN HEMT 管芯和以Al2O3陶瓷基板制作的匹配電路以及匹配電容集成在一塊載體上，實(shí)現(xiàn)了大功率和小尺寸的統(tǒng)一。研制完成的功率放大器整體尺寸為18 mm×11.8 mm×1.5 mm，在漏極電壓為36 V、脈沖周期為1 ms、占空比為10%的測(cè)試條件下，實(shí)現(xiàn)了14.5～15.0 GHz 頻帶內(nèi)200 W 以上的輸出功率，7 dB以上的功率增益，38%～43%的附加效率。該功率放大器可用于替換各種發(fā)射組件里面的電真空器件，提高組件可靠性，同時(shí)由于其尺寸小、功率大的特點(diǎn)，可以減小組件尺寸。

2 GaN 管芯工藝與結(jié)構(gòu)

本文選用的9.6 mm GaN HEMT 管芯由南京電子器件研究所設(shè)計(jì)制作，GaN HEMT 管芯橫截面如圖1所示，其包括SiC 襯底，它具有支撐、散熱和電磁屏蔽的作用，未摻雜的GaN 緩沖層，AlN 插入層以及AlGaN 勢(shì)壘層，AlN 插入層能夠提高器件的電子遷移率和頻率特性，同時(shí)還能夠減小器件的晶格失配[6]。

圖1 GaN 晶體管橫截面

該管芯實(shí)測(cè)擊穿電壓大于180 V，最大跨導(dǎo)為360 mS/mm。在15 GHz、36 V 條件下，管芯功率密度大于6.5 W/mm，考慮匹配及合成網(wǎng)絡(luò)的損耗，為實(shí)現(xiàn)200 W 以上的功率輸出，功率放大器采用4 個(gè)9.6 mm 管芯進(jìn)行合成。

采用以上工藝設(shè)計(jì)制作的GaN HEMT 管芯結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該管芯柵極分為8 個(gè)胞，每個(gè)胞之間連接有電阻，可以提高管芯的穩(wěn)定性，防止自激震蕩。當(dāng)器件工作在較高頻率時(shí)，管芯的寄生參數(shù)會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生比較大的影響，常規(guī)的管芯源級(jí)接地是通過空氣橋?qū)⒃醇?jí)引出到輸入端再通過接地孔到地，該結(jié)構(gòu)使得管芯源級(jí)到地電感增大，會(huì)嚴(yán)重影響其頻率特性，降低其增益和效率等指標(biāo)，同時(shí)柵極還會(huì)引入一個(gè)電感，增大輸入匹配難度。通過將接地通孔直接制作在源條上可減小寄生參數(shù)，在提高管芯頻率特性的同時(shí)還能減小柵極串聯(lián)的電感，使得管芯輸入更易匹配。

圖2 9.6 mm GaN HEMT 管芯結(jié)構(gòu)

采用HFSS 仿真軟件對(duì)2 種結(jié)構(gòu)的接地孔進(jìn)行建模仿真，仿真模型如圖3 所示。

圖3 接地孔仿真模型

通過仿真得出2 種結(jié)構(gòu)的Y 參數(shù)，利用式（1）計(jì)算出接地孔的電感值L：

其中，Im[Y(1,1)]為Y 參數(shù)的虛部。

模型仿真得出的Y 參數(shù)如圖4 所示，通過式（1）可計(jì)算出2 種結(jié)構(gòu)的電感值分別為67.8 pH 和19 pH?？梢钥闯?，將接地孔直接制作在源條上的電感值只有將接地孔通過空氣橋連接到管芯輸入端電感值的28%左右。

圖4 接地孔電感仿真結(jié)果

將通孔直接制作在源條上，由于通孔里面填充的是空氣，其熱導(dǎo)率相對(duì)于SiC 襯底要低很多，因此會(huì)降低器件的散熱能力。以單個(gè)管芯為例，輸入功率為10 W 時(shí)，輸出功率在65 W 左右，功率附加效率（PAE）在45%左右，因此，最大熱耗大概在70 W。采用紅外熱成像儀測(cè)試管芯結(jié)溫，在脈寬為100 μs、周期為1 ms的條件下，瞬態(tài)功耗為70 W 時(shí)管芯瞬態(tài)結(jié)溫為150 ℃，能夠滿足GaN 管芯結(jié)溫低于225 ℃的要求。管芯瞬態(tài)結(jié)溫如圖5 所示。

圖5 管芯瞬態(tài)結(jié)溫

3 電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 管芯模型建立

為了實(shí)現(xiàn)功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，提高一次設(shè)計(jì)成功率，就需要得到管芯精準(zhǔn)的等效模型。功率放大器管芯的模型分為小信號(hào)模型和大信號(hào)模型，放大器的輸入端采用小信號(hào)模型來設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)化的管芯小信號(hào)模型[7]主要參數(shù)由在片測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量得到，一般通過對(duì)模型管管芯進(jìn)行在片直流、微波參數(shù)測(cè)試，再將測(cè)試數(shù)據(jù)輸入到模型軟件中完成小信號(hào)模型的提取，在使用ADS 仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)時(shí)即可調(diào)用小信號(hào)模型來設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)[8]。

管芯輸出阻抗一般采用負(fù)載牽引測(cè)試系統(tǒng)對(duì)4 胞模型管（4×120 μm）管芯進(jìn)行負(fù)載牽引測(cè)試，根據(jù)負(fù)載牽引測(cè)試結(jié)果得到管芯在最佳功率匹配點(diǎn)（Pout-Max）和最佳效率匹配點(diǎn)（ηPAE-Max）的負(fù)載阻抗值Z 以及對(duì)應(yīng)的輸出功率Pout和功率附加效率ηPAE，結(jié)果見表1。

表1 15 GHz 下最佳功率點(diǎn)和最佳效率點(diǎn)的性能

480 μm 管芯最佳功率匹配點(diǎn)的負(fù)載阻抗為19.9+j31.8，根據(jù)共軛匹配原理，管芯最佳功率匹配點(diǎn)的輸出阻抗為19.9-j31.8，可等效為一個(gè)70.7 Ω 的電阻和一個(gè)0.24 pF 的電容并聯(lián)；同理，可得到管芯最佳效率匹配點(diǎn)輸出阻抗可等效為一個(gè)89.0 Ω 的電阻和一個(gè)0.22 pF 的電容并聯(lián)。按比例推算出9.6 mm 管芯的阻抗，最佳功率匹配點(diǎn)的輸出阻抗可等效為一個(gè)3.5 Ω 的電阻和一個(gè)4.8 pF 的電容并聯(lián)，最佳效率匹配點(diǎn)的輸出阻抗可等效為一個(gè)4.45 Ω 的電阻和一個(gè)4.4 pF 的電容并聯(lián)。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)最佳功率匹配點(diǎn)和最佳效率匹配點(diǎn)進(jìn)行折中處理，最終得到9.6 mm管芯的輸出阻抗可等效為一個(gè)4.0 Ω 的電阻和一個(gè)4.6 pF 的電容并聯(lián)。

3.2 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

匹配電路的目的在于對(duì)4 胞管芯進(jìn)行功率分配和合成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一定的阻抗變換，將輸入、輸出阻抗匹配到50 Ω。功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示。從圖6 可以看出，整個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)先采用1 級(jí)L-C-L阻抗變換對(duì)管芯阻抗做適當(dāng)提升，同時(shí)抵消其虛部，以便于功率合成，一般通過這一步先將管芯阻抗提升至10～15 Ω，然后通過功分器實(shí)現(xiàn)功率合成和阻抗變換，最終使得輸入、輸出阻抗為50 Ω[9]。

圖6 功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

輸入、輸出匹配電路選用氧化鋁陶瓷基板設(shè)計(jì)制作，其介電常數(shù)為9.9，厚度為380 μm；輸入、輸出電容采用介電常數(shù)為38、厚度為180 μm 的陶瓷基板設(shè)計(jì)制作，鍍金厚度為5 μm。電感采用金絲鍵合線，電感量L 可由式（2）近似計(jì)算：

其中，D 為金絲直徑，n 為金絲根數(shù)，l 為金絲長度，s 為金絲間距。

陶瓷電路、電容和管芯通過290 ℃金錫焊料燒結(jié)在銅-鉬銅-銅載體上，圖7 為功率放大器實(shí)物照片，裝配完成后一般還需根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)金絲長度和匹配電容值進(jìn)行微調(diào)，以使器件性能達(dá)到最佳[10]。

圖7 功率放大器實(shí)物

4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)設(shè)計(jì)、制作完成的功率放大器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為：漏極電壓36 V，脈寬100 μs，周期1 ms，輸入功率46 dBm，測(cè)試結(jié)果如圖8 所示，在14.5～15 GHz頻帶內(nèi)，輸出功率均達(dá)到200 W 以上，最高輸出功率達(dá)到230 W，帶內(nèi)功率增益在7 dB 以上，功率附加效率在38%以上，最高附加效率達(dá)到43%。

圖8 功率放大器的性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)功率放大器進(jìn)行熱分析，測(cè)量放大器在脈寬為100 μs、周期為1 ms、輸入功率為46 dBm 時(shí)的瞬態(tài)結(jié)溫，具體測(cè)試結(jié)果見圖9。從圖9 可以看出，功率放大器正常工作時(shí)瞬態(tài)結(jié)溫為158 ℃，溫度低于GaN 的最高結(jié)溫225 ℃，能夠很好地滿足器件對(duì)結(jié)溫的要求。

圖9 功率放大器瞬態(tài)結(jié)溫

本研究設(shè)計(jì)的功率放大器與國內(nèi)外工作頻率接近的產(chǎn)品的性能指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表2 所示，VDS為產(chǎn)品的漏極電壓?？梢钥闯觯漭敵龉β屎透郊有氏鄬?duì)于同類產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表2 相近頻率同類產(chǎn)品性能比較

5 結(jié)論

本文基于南京電子器件研究所的0.25 μm GaN HEMT 工藝平臺(tái)，設(shè)計(jì)、制作了4 管芯合成的工作在Ku 波段的高功率、高效率功率放大器，在14.5～15.0 GHz頻率范圍內(nèi)，放大器輸出功率大于200 W，最大輸出功率達(dá)230 W，功率增益大于7 dB，功率附加效率達(dá)到38%，最大功率附加效率為43%，尺寸為18 mm×11.8 mm×1.5 mm。