基于GaN HEMT的高线性星载Doherty功率放大器设计北大核心CSCD

在射频通信链路中,功率放大器决定了发射通道的线性、效率等关键指标。卫星通信由于是电池供电,对功率放大器的工作效率要求比较高。文章基于GaN HEMT晶体管采用对称设计完成了一款高效率的Doherty功率放大器。测试结果表明:该Doherty功放的功率增益大于29 dB;1 dB压缩点功率(P_(1 dB))大于35 dBm;在35 dBm输出时,其功率附加效率(PAE)大于47.5%,三阶交调失真(IMD3)大于35 dBc;在功率回退3 dB时,其PAE大于37%,IMD3大于32 dBc。     

高效率X波段GaN MMIC功率放大器的研制

突破了GaN MMIC功率放大器的设计、制造、测试等关键技术,研制成功X波段GaN MMIC功率放大器。设计及优化了电路拓扑结构及电路参数,放大器芯片采用了国产外延材料及标准芯片制作工艺。单片功率放大器包含两级放大电路,采用了功率分配及合成匹配电路,输入输出阻抗均为50Ω。制作了微波测试载体及夹具,最终实现了X波段GaN MMIC功率放大器微波参数测试。在8.7～10.9 GHz频率范围内,该功率放大器输出功率大于16 W,功率增益大于14 dB,增益波动小于0.4 dB,输入驻波比小于2∶1,功率附加效率大于40%,带内效率最高达52%。     

0.02～2 GHz GaN分布式功率放大器的原理及设计

作为一种宽带放大器的结构,分布式放大器结构能够实现高达多个倍频程的带宽,这种结构是由电感元件和晶体管的等效电容构成的栅极和漏极两条人工传输线组成的。随着第三代宽禁带半导体GaN的发展,将GaN技术应用在分布式放大器的设计中,能够得到较高的输出功率,实现宽带功率放大器的设计。介绍了一种采用4个GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)设计分布式功率放大器的原理和方法,实现了0.02～2GHz的带宽。仿真结果表明,带宽内小信号增益大于10dB,增益平坦度优于±0.5dB,饱和输出功率大于41dBm,PAE大于15%。     

多倍频程GaN 分布式功率放大器的设计与实现

分布式放大器结构是一种能够实现极宽带宽的放大电路结构.不过由于晶体管自身功率密度的限制,分布式放大器大多用于小信号放大器的设计中.第3代宽禁带半导体GaN具有击穿场强高、输出功率密度大的优点,随着GaN晶体管的发展成熟,将其应用于分布式放大器结构中能够实现宽带功率放大器.本文采用4个GaNHEMT(高电子迁移率晶体管)分立器件进行分布式功率放大器设计,并以混合集成电路工艺加工,实现了0.3 ～2.5GHz的多倍频程宽带功率放大器.最终得到的测量结果显示,功率放大器在0.3 ～ 2.5GHz的频带内,饱和输出功率大于39dBm,线性增益大于8dB,最大PAE大于15％.     

高增益S波段小型化200 W功率模块研制技术

采用多级射频放大电路以及高压脉冲调制技术,实现了S波段高增益小型化200 W功率模块的研制。驱动放大电路采用GaAs功率单片进行功率合成;末级放大电路依托栅长(0.5 μm) GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)芯片,选取多子胞结构来改善热分布,通过内匹配技术设计完成了双胞总栅宽24 mm GaN芯片的匹配网络,并设计高压脉冲调制电路提供电源,成功研制出了小型化的S波段200 W内匹配GaN功率模块。测试得出该模块实现了在输入功率10 dBm,栅极电压-5 V,漏极电压32 V,TTL调制信号输入条件下,输出频率在3.1~3.5 GHz处,输出功率大于200 W,功率附加效率(PAE)大于55%。模块实际尺寸为2.4 mm×38 mm×5.5 mm。     

基于GaN 的3. 4~ 3. 6 GHz 高增益Doherty 功率放大器

基于两级功率放大器架构,设计了一款平均输出功率为37 dBm(5 W)的高增益Doherty 功率放大器。 该器件通过增加前级驱动功率放大器提高Doherty 功率放大器的增益,采用反向Doherty 功率放大器架构,将λ/4 波 长传输线放置在辅助功放后端,相位补偿线放置在主功放前端,并使主功放输出匹配网络采用双阻抗匹配技术实现 阻抗变换,如此可扩宽功率放大器的工作带宽。连续波测试结果显示:3. 4~3. 6 GHz 工作频段内,饱和输出功率在 44. 5 dBm 以上,功率饱和工作点PAE 在43. 9%以上;在平均输出功率(37 dBm,5 W)工作点,回退量大于7. 5 dB,功 率附加效率PAE 为36. 8%以上,功率增益在31 dB 以上。     

30～2 600 MHz超宽带GaN功率放大器的设计与实现

基于第三代半导体GaN的高电子迁移率晶体管技术,利用Cree CGH40010管芯大信号模型并结合ADS2009U1软件,结合商用GaN管芯的自身特性,采用微带-电阻-微带-电容-微带的负反馈回路和整体负载牵引方法及宽带匹配网络,成功设计并实现了30～2 600 MHz超过6个倍频程的超宽带功率放大器.测试结果表明,该功率放大器的带内线性增益大于11.8 dB,线性增益平坦度小于±0.95 dB,输入回波小于-10.2 dB,1 dB压缩点输出功率大于36.5 dBm,功率附加效率大于22％,饱和时输出功率大于39.1 dBm,功率附加效率大于28％.该功率放大器在很宽的频带内有着平坦的增益,适用于对平坦度要求较高的超宽带系统中.     

一个8GHz基于AlGaN/GaN HEMT的内匹配电路

论述了一个在8 GHz下基于AlGaN/GaN HEMT功率放大器HMIC的设计、制备与测试.该电路包含了1个10×100 μm的AlGaN/GaN HEMT和输入输出匹配电路.在偏置条件为VDS=40 V、IDS=0.16 A时输出连续波饱和功率在8 GHz达到36.5 dBm(4.5 W),PAE为60%,线性增益10 dB;在偏置条件为VDS=30 V、IDS=0.19 A时输出连续波饱和功率在8 GHz达到35.6 dBm(3.6 W),PAE为47%,线性增益9 dB.     

86.5GHz下输出功率257mW的 W波段GaN MMIC放大器

我们报道了一个三级W波段GaN MMIC功率放大器。考虑到W波段MMIC的耦合效应,所有的匹配电路和偏置电路都是先进行电路仿真以后,再用3D电磁场仿真软件进行系统的仿真。此MMIC功率放大器在频率为86.5GHz下输出功率能达到257mW,相应的功率附加效率(PAE)为5.4%,相应的功率增益为6.1dB。功率密度为459 mW/mm。另外,此MMIC功率放大器在83 GHz到90 GHz带宽下有100mW以上的输出功率。以上特性都是在漏极电压为12V时测试得到。     

C波段高效率高线性GaN MMIC功率放大器

基于SiC衬底0.25μm GaN HEMT工艺,设计实现了一款C波段、高效率和高线性的单片微波集成电路(MMIC)功率放大器。通过优化电路匹配结构,选择合适的有源器件和恰当的直流偏置条件,实现低视频漏极阻抗;利用后级增益压缩和前级增益扩张对消等手段,实现高功率附加效率和好的线性指标。功率放大器芯片尺寸为2.35 mm×1.40 mm。芯片测试结果表明,在3.7~4.2 GHz频率范围内,漏极电压28 V、末级栅极电压-2.2 V、前级栅极电压-1.8 V和连续波条件下,该功率放大器的小信号增益大于25 dB,大信号增益大于20 dB,饱和输出功率大于39 dBm,在输出功率回退至32 dBm时,功率附加效率大于30%,三阶交调失真小于-37 dBc。     

VHF频段小型化千瓦级GaN功率放大器

为了满足VHF频段对高功率放大器小型化的需求，设计并制备了一款基于0.5μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的VHF频段小型化千瓦级功率放大器。通过采用多节微带电容网络和高介电常数的印制电路板(PCB)实现了末级功率放大器匹配电路的小型化；以高通滤波器作为级间匹配电路，在减小电路尺寸的同时，提高了链路增益；采用混合集成工艺，实现了电源调制器、前级驱动功率放大器和末级功率放大器等各单元的小型化高密度集成。测试结果表明，在0.24～0.30 GHz频带内，该功率放大器的工作电压为50 V,工作脉宽为100μs,在占空比10%、输入功率10 dBm的工作条件下，带内输出功率大于1 000 W,功率附加效率约为60%～69%,功率增益大于50 dB,功放体积为46 mm×30 mm×6 mm。     

一种新研制的W频段固态GaN功率放大器毫米波源

介绍了一种新研制的W频段固态GaN功率放大器毫米波源,给出了系统组成与工作原理,提供了其主要部件W频段固态Gunn驱动源、W频段波导-微带转换器、主放大器芯片基本性能及实验测试结果。该固态毫米波源工作频率94 GHz,输出连续波功率大于300 mW,线性增益10 dB,附加效率(PAE)大于16%。在W频段固态毫米波源研制过程中,其单片微波集成电路(MMIC)功率放大器半导体材料选择经历了GaAs、InP到GaN演变,结果清楚表明, W频段毫米波源的GaN MMlC功率放大器输出功率、增益、效率、高温性能要优于其他固态MMIC功率放大器性能。 W频段大功率固态GaN MMlC技术将在毫米波领域带来新的技术革命和应用。     

Ku波段宽带氮化镓功率放大器MMIC

基于0.25μm栅长GaN HEMT工艺,采用三级放大拓扑结构设计了一款Ku波段GaN功率放大器.放大器设计从建立大信号模型出发,输出匹配网络和级间匹配网络均采用电抗匹配减小电路的损耗,从而提高整体放大器的功率效率.测试结果表明,该放大器在14.6~18GHz频带内,小信号增益30dB,脉冲饱和输出功率达15W,功率附加效率(PAE)大于32%;在14.8GHz频点处,放大器的峰值功率达19.5W,PAE达39%.该结果表明GaN MMIC具有高频高功率高效率的优势,具有广阔的应用前景.     

基于GaAs HBT工艺的高增益宽带Doherty功率放大器设计

在传统Doherty功率放大器的基础上,采用砷化镓(GaAs)异质结双极晶体管(HBT)工艺,设计了一款可应用于5G通信N79频段(4.4~5 GHz)的高回退效率MMIC Doherty功率放大器(DPA)。通过在Doherty电路中采用共射-共基结构,并在共射-共基结构中加入共基极接地电容,大幅提升了DPA的增益和输出功率。使用集总元件参与匹配,减小了芯片的面积。仿真结果表明,在目标频段内,增益大于28 dB,饱和输出功率约为38 dBm,饱和附加效率(PAE)为63%,7 dB回退处的效率达到43%。     

基于GaAs PHEMT工艺的60~90GHz功率放大器MMIC

研制了一款60~90 GHz功率放大器单片微波集成电路(MMIC),该MMIC采用平衡式放大结构,在较宽的频带内获得了平坦的增益、较高的输出功率及良好的输入输出驻波比(VSWR)。采用GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)标准工艺进行了流片,在片测试结果表明,在栅极电压为-0.3 V、漏极电压为+3 V、频率为60~90 GHz时,功率放大器MMIC的小信号增益大于13 dB,在71~76 GHz和81~86 GHz典型应用频段,功率放大器的小信号增益均大于15 dB。载体测试结果表明,栅极电压为-0.3 V、漏极电压为+3 V、频率为60~90 GHz时,该功率放大器MMIC饱和输出功率大于17.5 dBm,在71~76 GHz和81~86 GHz典型应用频段,其饱和输出功率可达到20 dBm。该功率放大器MMIC尺寸为5.25 mm×2.10 mm。     

基于AlGaN/GaN HEMT的C波段功率放大器混合集成电路的设计

我们设计研制了一个基于Al GaN/GaN HEMT大功率放大器的混合集成电路.这个电路包含了1个10×120μm的HEMT晶体管,以及输入和输出匹配电路.在偏置条件为Vds=40 V,Ids=0.26 A时,输出连续波饱和功率在5.4 GHz达到37 dBm(5 W),最大的PAE为35.6%.在偏置条件为Vds=30 V,Ids=0.22 A时输出连续波饱和功率在5.4 GHz达到36.4dBm(4.4 W),最大的PAE为42.7%.     

Ku波段单片功率放大器设计与制作

介绍了一种Ku波段GaAs功率放大器芯片的研制过程。芯片采用电抗匹配电路结构,三级级联放大,末级采用多胞器件进行功率合成,实现了电路的高增益和所要求的功率输出;另外,还对元器件模型技术、GaAsMM IC测试技术等进行了相应描述。在芯片的研制过程中,利用ADS软件进行仿真及优化,利用电磁场仿真进行版图设计。在4英寸(100 mm)0.25μmGaAs PHEMT工艺线上完成芯片制作,在12.5～15.0 GHz的频率范围内,脉冲饱和输出功率Po大于34.7 dBm(脉宽100μs,占空比10%),功率增益Gp大于19.7 dB,功率附加效率PAE大于30%,功率增益平坦度小于±0.4 dB。该芯片可以应用到许多微波系统中。     

S波段GaN高效率内匹配功率放大器的设计与实现

本文研究了一种S波段320W GaN内匹配功率放大器.该器件基于自主研发36V工作的GaN HEMT管芯.以负载牵引结果为出发点,运用电子仿真技术对管芯进行了基波匹配,并针对管芯二次谐波阻抗进行了匹配优化,最终用功率分配/合成器进行了四路功率合成.在工作电压36V,占空比20%,脉宽400μs测试条件下,3.0~3.5GHz频段内输出功率大于320W(55dBm),功率增益大于14dB,功率附加效率大于62%.     

5.8～6.2GHz高效率InGaP/GaAs HBT J类功率放大器

介绍了一个工作在5.8~6.2GHz的高效率磷化镓铟/砷化镓异质结双极型晶体管(InGaP/GaAs HBT)功率放大器。设计了具有良好带宽性能的J类输出匹配网络,并通过InGaP/GaAs HBT单片微波集成电路(MMIC)技术和射频基板封装技术得以实现。在5.8~6.2GHz的频率范围内,用连续波(CW)信号测试放大器得到的1dB压缩点输出功率都大于31dBm,饱和输出功率都大于32dBm、最大的附加功率效率(PAE)都大于56%。     

一种C波段E类GaN MMIC功率放大器设计

基于0.25μm GaN HEMT设计了一种工作于C波段、结构简单、宽带高效的E类功率放大器。针对单片微波集成电路(MMIC)功率放大器设计中射频扼流圈所占面积较大且难以实现的问题,采用有限元直流馈电电感替代扼流圈电感,抑制晶体管寄生参数C_ds对最高工作频率的影响,并采用低Q值混合参数匹配网络,将功率放大器电路输入输出的最佳阻抗匹配到标准阻抗50Ω。版图后仿真结果表明,在4.1～4.9 GHz工作频段内,功率附加效率为51.309%～58.050%,平均增益大于11 dB,输出功率大于41 dBm。版图尺寸为2.7 mm×1.4 mm。