基于GaN管芯的X波段宽带功率放大器设计

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功率放大器是通信、雷达、导航、识别、空间对抗等各类无线系统中的重要组成部件之一。随着有源相控阵技术的发展以及多功能射频综合体制的兴起，系统应用中对功率放大器提出了宽带、小型化、低成本、通用器件、模块化设计等诸多应用需求。为了提高器件的可使用性，目前微波功率器件厂家一般提供的是匹配好的功率晶体管，这种功率管一般为特定频率下使用，通用性较差。而未匹配的宽带功率芯片具有价格低、频带宽、适用性广等优点，可以满足当下核心器件通用化、系列化及开发周期短平快的应用要求, 具有较大的发展空间。为了适应这一需求，国外的器件厂商如UMS、Triqunit、Cree等公司都推出了系列宽带功放芯片产品。

本文针对Triqunit公司的GaN单管芯放大器开展宽带电路设计，该系列芯片具有价格低廉、频带宽、输出功率大等优点，但因其匹配设计复杂，且对加工、键合精度要求较高，目前国内只有少数几个单位对该芯片的应用开展了一些初步研究。本文利用仿真软件对匹配电路进行了仿真优化，并根据仿真结果进行了实际电路的制作和测试。
1.宽带功率放大器匹配电路设计
宽带功率放大器设计的主要目标是获取尽量平坦的带内功率增益。随着目前射频系统中对多功能综合一体化、软件无线电等应用的需求逐步增强，设计宽带放大器除了考虑传统的输出功率、增益平坦度的同时，还需要额外的考虑线性度、效率乃至非线性相位等技术指标要求。而我们知道，对于常规的晶体管来说存在每倍频程4～6dB的增益下降特性，因此宽带功放设计的核心目标是设计能够在整个频带内提供灵活合适的输入/输出匹配网络，对其增益进行平衡和补偿，从而获得最小的带内增益起伏、最大的输出功率以及最佳功率附加效率(PAE)等最佳效果。

目前功放的主要设计方法有小信号S 参数法、负载牵引法、非线性模型法等。这其中，基于非线性模型设计方法需要基于器件的具体工艺及电参数，建立功放的非线性模型；小信号S参数法是在线性S参数基础上开展的一种推导设计，缺乏对强非线性状态下的行为预测能力；负载牵引方法针对特定的器件，利用负载牵引平台测试出不同频点下的源/负载阻抗与输出功率的曲线后进行综合设计得到，但常因器件的高次谐波没有落在最佳效率区域而导致功放设计的低效率。由英国Cardiff大学的S.C.Cripps提出的连续型功放理论结合多谐波双向牵引阻抗值方法可以在一定程度上解决带宽、增益和效率之间的矛盾。但因连续型功放理论的负载特性是在电流源参考平面上求解得到，对于封装功率器件的管壳封装等寄生参数影响难以有效表征，且实际操作中需要利用负载牵引分析平台对高次谐波进行分析、测试和调整，因而难以在工程应用中得到推广。

考虑本文所选器件为GaN管芯器件，其本身的缓压缩特性使得厂家提供的S参数能够在更大范围内预计放大器设计结果，因此本设计采用小信号S参数法进行快速的工程设计。