基于GaN HEMT的S波段小型化內(nèi)匹配功率管設(shè)計

1、PAGE PAGE - 9 -基于GaNHEMT的S波段小型化內(nèi)匹配功率管設(shè)計王曉龍張磊摘要：采用總柵寬36mm的0.5um工藝GaNHEMT功率管芯，通過合理選擇目標(biāo)阻抗、優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一款包含扼流電路的S波段小型化內(nèi)匹配功率管。在+48V、-3.1V工作電壓下，2.73.4GHz內(nèi)，功率管輸出功率250W，功率增益12dB，功率附加效率60%，尺寸僅為15mm6.6mm1.5mm，重量僅為0.6g，顯示出卓越的性能，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：功率管;GaN;內(nèi)匹配;S波段;小型化中圖分類號：TN12文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0052-04Abs

2、tract：Usinga0.5umprocessGaNHEMTpowertubecorewithatotalgatewidthof36mm，anS-bandminiaturizedinternalmatchedpowertubeincludingchokecircuitisdesignedbyreasonablyselectingthetargetimpedanceandoptimizingthematchingnetwork.Undertheworkingvoltageof+48V，-3.1Vandwithin2.73.4GHz，theoutputpowerofpowertubeisgrea

3、terthanorequalto250W，thepowergainisgreaterthanorequalto12dB，thepoweraddedefficiencyisgreaterthanorequalto60%，andthesizeisonly15mm6.6mm1.5mm，weightisonly0.6g，showsexcellentperformanceandhasbroadengineeringapplicationprospectsKeywords：powertube;GaN;internalmatched;S-band;miniaturized0引言近年來，隨著相控陣?yán)走_(dá)快速發(fā)展

4、、列裝以及民用5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，對微波功率器件的小型化、高效率提出了更高的要求。寬禁帶半導(dǎo)體GaN微波功率器件高耐壓、高功率密度、高效率的特性1-4，決定了GaN微波功率器件在相控陣?yán)走_(dá)、無線通信等軍用和民用微波功率領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景5-7。內(nèi)匹配功率管是指內(nèi)部包含所有匹配電路，可直接同50系統(tǒng)級聯(lián)的功率管。相較于只在功率管內(nèi)部做了部分匹配，外部需外加PCB匹配電路的預(yù)匹配功率管，內(nèi)匹配功率管在尺寸和重量上有很大優(yōu)勢。本文設(shè)計的內(nèi)匹配功率管不僅包含輸入、輸出匹配電路，并且包含輸入、輸出扼流電路。在2.73.4GHz內(nèi)，其帶內(nèi)輸出功率250W，功率增益12db，功率附加效率60%，而體

5、積僅為15mm6.6mm1.5mm，重量僅為0.6g，顯示出很好的性能，工程應(yīng)用前景廣泛。1管芯選擇本文選用0.5umHEMT工藝GaN功率管芯（由中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所研制），圖1為0.5umHEMT工藝GaN功率管芯縱向結(jié)構(gòu)示意圖。GaNHEMT器件利用AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)形成的二維電子氣（2DEG），將電子遷移率提升至2000cm2/Vs以上，具有優(yōu)異的射頻性能。本文選用的功率管芯采用SiC襯底。SiC襯底熱導(dǎo)率高，同GaN的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配較少，是目前使用最多的方案。本文選用6.23mm0.97mm的GaN功率管芯，其單指柵寬為450um，每胞10指，共8胞，總柵

6、寬36mm。在48V漏源電壓、S波段條件下，其功率密度為8W/mm，可以滿足輸出功率大于250W的要求。圖2是36mmGaN功率管芯的版圖。2功率管設(shè)計2.1目標(biāo)阻抗選取選定合適的目標(biāo)阻抗是功率管設(shè)計中的關(guān)鍵一步，直接決定了功率管的最終性能。使用諧波平衡仿真器，利用器件的大信號模型，對器件進(jìn)行源牽引和負(fù)載牽引仿真。如表1所示，器件最大功率阻抗和最佳效率阻抗隨頻率變化并不大，故以中心頻率3.05GHz為典型頻率進(jìn)行阻抗點選取。實際仿真時，設(shè)置器件柵壓-3.1V，漏壓+48V，輸入功率42dBm，工作頻率3.05GHz。源牽引結(jié)果如圖3，可以看到，最大功率阻抗和最佳效率阻抗基本重合，其最大功率阻抗

7、為0.4+j0.7，最佳效率阻抗為0.98+j0.2。負(fù)載牽引結(jié)果如圖4，可以看到，最大輸出功率為55.7dBm，其對應(yīng)阻抗為2.37+j1.28;最高功率附加效率為75.0%，其對應(yīng)阻抗為1.72+j3.22。選取1.0+j0.68為目標(biāo)源阻抗，折中選擇2.25+j2.3為目標(biāo)負(fù)載阻抗，開展后續(xù)設(shè)計，對應(yīng)增益13.1db、輸出功率55.1dBm、功率附加效率68.2%。2.2匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計功率管設(shè)計的主要工作是設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)將50匹配到目標(biāo)阻抗。雖然本文采用單管芯方案，但單只GaN功率管芯的長度達(dá)到6.23mm，按照最常用的氧化鋁陶瓷基片9.9的介電常數(shù)計算，6.23mm，3.4GHz對應(yīng)電長度

8、為69.5，功率管設(shè)計過程中仍需考慮功率合成的問題。除了尺寸問題，引入兼具阻抗變化功能的功分匹配網(wǎng)絡(luò)還能拓展匹配電路帶寬，故本文的匹配電路包含兩部分：一是在陶瓷基板上實現(xiàn)的功分匹配網(wǎng)絡(luò)，其兼具阻抗變換功能;二是功率管芯和厘米器之間，由鍵合金絲和單層電容組成的T型匹配網(wǎng)絡(luò)。圖5是本文所采用的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。功率管芯可以視為多個管芯單胞的并聯(lián)，功率管輸出功率越大，需要的功率管芯胞數(shù)越多，其對應(yīng)最佳阻抗越低，匹配電路阻抗變換比越大，設(shè)計難度越高。為了實現(xiàn)小型化，本文功分匹配網(wǎng)絡(luò)采用了先功率合成，再阻抗變換的結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)功分匹配網(wǎng)絡(luò)9，將1/4波長阻抗變換線根數(shù)由兩根精簡為一根，雖然阻抗變換線

9、寬度會相應(yīng)變寬，但一根阻抗變換線布局更靈活，圖6是兩種功分匹配網(wǎng)絡(luò)的對比圖。經(jīng)過平面功分器之后，源阻抗被變換到9.7-j16.8，負(fù)載阻抗被變換到7.4+j0.5，T型匹配網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)將阻抗匹配到目標(biāo)阻抗。T型網(wǎng)絡(luò)中的電感由鍵合金絲實現(xiàn)，具有Q值高和方便調(diào)試的優(yōu)點。2.3扼流電路設(shè)計功率管功分匹配網(wǎng)絡(luò)中只有一根1/4波長阻抗變化線，布局靈活，使功率管中有足夠空間包含輸入輸出扼流電路。為了減小扼流線對匹配的影響，扼流線寬度盡量窄，以提高額流線的特性阻抗。輸出功率大于100W的S波段內(nèi)匹配功率管一般采用管殼封裝10，11，尺寸21.4mm17.5mm5mm，并且需要外接扼流電路。內(nèi)部集成扼流電路，使本

10、文所設(shè)計功率管的小型化優(yōu)勢在實際使用時更加明顯。3研制結(jié)果3.1功率管制備功率管平面功分器采用厚度為0.254mm的氧化鋁陶瓷實現(xiàn)。為了保證散熱，GaN功率芯片以及輸出側(cè)隔直電容、扼流電容均使用金錫焊料共晶焊接在0.5mm厚鉬銅載片上，其他元器件使用導(dǎo)電膠粘接。如圖7為產(chǎn)品照片，產(chǎn)品尺寸15mm6.6mm1.5mm，重量0.6g。3.2微波性能在工作電壓48V、-3.1V，輸入功率42dBm，0.5ms/10ms占空比，常溫工作條件下，對功率管進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8?？梢钥吹?，功率管在2.73.4GHz范圍內(nèi)輸出功率54.2dBm，增益波動小于0.34dB，頻帶內(nèi)功率附加效率60%。表2為本

11、文所設(shè)計功率管同國內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品的指標(biāo)對比，可以看到，與現(xiàn)有輸出功率大于100W的功率管相比，本文所設(shè)計功率管尺寸明顯更小;與同類型、同尺寸功率管相比，本文所設(shè)計功率管輸出功率更大，且?guī)捀鼘挕?.3可靠性為評估功率管可靠性，將功率管焊接在鋁盒體內(nèi)對其進(jìn)行高低溫測試和高溫老練，圖9為高低溫測試盒照片。相較于常溫，85下，功率管輸出功率下降0.40.5dB;-55下，功率管輸出功率上漲0.30.4dB，且無自激現(xiàn)象。高低溫試驗后復(fù)測常溫，功率管指標(biāo)未見明顯變化。85下，對功率管進(jìn)行96小時射頻老練，恢復(fù)常溫后復(fù)測，功率管指標(biāo)未見明顯變化。試驗結(jié)果表明，功率管可靠性滿足一般工程使用需求。4結(jié)論采用中國

12、電子科技集團(tuán)公司第十三研究所研制的GaNHEMT，本文研制了一款48V工作，在2.73.4GHz輸出功率大于250W，自帶輸入、輸出扼流電流的內(nèi)匹配功率管，并驗證了其可靠性。本文研制的功率管尺寸僅為15mm6.6mm1.5mm，重量僅為0.6g，性能卓越，具有非常廣闊的工程應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1RUNTONDW，TRABERTB，SHEALYJB，etal.HistoryofGaN：High-PowerRFGalliumNitride（GaN）fromInfancytoManufacturableProcessandBeyondJ.IEEEMicrowaveMagazine，2022，14（3

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