引言
在通信和雷達系統中，大器的研功率放大器是芯射其主要的組成部分,它的性能優劣對整個系統來說，影響巨大。頻功在雷達的率放主要部件一TR組件設計中，要求高功率和體積小、大器的研質量輕、芯射可靠性高、頻功低成本。率放人們對通信系統的質量和業務范圍也要求越來越高。隨著半導體工藝的快速發展，電路集成度的迅速提高，人們對微波組件性能的期望值也越來越高。特別是對微波功率放大器，人們總希望其頻帶越來越寬、功率越來越大、通用性越來越強。GaN材料作為第三代半導體的代表，具有大帶寬、高飽和電子漂移速率和高擊穿電子強度等顯著特點。GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)理論上可以實現更大的輸出功率、更高的工作效率以及更高的抗輻照能力，代表固態微波器件的發展方向。以氮化傢(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的寬禁帶半導體射頻微波器件必將在雷達、電子對抗、通信系統中取得廣泛的應用，而且也將解決航空航天電子設備等方面的難題。
本文采用CREE公司的GaN管芯CGH60120D，采用ADS負載牽引技術設計C波段的微波功率放大器，其發射功率接近100W。
1理論基礎
功率放大電路設計包括同時提供準確的有源器件建模、有效的阻抗匹配(依賴于技術要求和工作條件)、工作的穩定性并易于實現等。功率放大器的設計品質的評估是在穩定工作條件下使得放大器級數最少、實現功率增益最大。為了穩定工作，必須計算有源器件潛在的不穩定工作的頻域。為了避免寄生振蕩，需要討論不同頻率范圍(從低頻到靠近器件的特性頻率)的穩定電路技術。功率放大器的關鍵參數是它的線性度,這個參數對移動通信應用是非常重要的。另外，功率放大器的其他參數有最大輸出功率、效率、1dB壓縮點、三階交調點等。器件的偏置條件決定了工作狀態。
2直流仿真
放大器要想工作在正常狀態，就必須確定一個靜態工作點，通過直流仿真了解功放管的靜態工作點，確定如圖1所示的、正確的偏置和器件靜態IV曲線。
根據CGH60120D的資料顯示，該器件典型工作狀態下的漏級電壓為28V，靜態電流為1.219A，圖1中，橫坐標為漏級電壓，縱坐標為電流值，在Vg為28V的不同曲線中找到能夠使漏極電流為180mA的點，這時的柵極電壓為一2.8V，這樣便確定了晶體管的2個供電電壓值。
圖1直流IV曲線
3穩定性
功率放大電路設計的目的在于在預先估計穩定度并給定輸出功率值的情況下，得到最大功率增益和效率。功率放大電路的不穩定性導致不希望的寄生振蕩，使得輸出信號失真。放大電路不穩定的主要原因之一是通過有源器件的內在電容、內在電感，以及外部電路元件，由輸出端正反饋到輸入端口。因此，任何功率放大電路，特別是在射頻和微波頻率，穩定性分析是非常關鍵的叫圖2所示是其電路的穩定因子圖。
圖2電路穩定因子圖
由圖2可以看出，在5GHz時,該電路的穩定因子為2.925,大于1,可知此電壓下，其電路是穩定的。
4負載牽引
功放的輸出功率主要取決于有源器件的負載阻抗，通過改變不同的負載阻抗值，測試功放的性能，這就是負載阻抗牽引。同理改變源阻抗的值來獲得功放不同的性能叫做源阻抗牽引。搭建一套實際的負載（源）阻抗牽引系統是很困難而且代價昂貴的，但是隨著微波EDA技術的發展，利用軟件仿真來實現負載（源）阻抗牽引是很方便的叫用ADS軟件中的LoadPull模塊對管芯進行負載牽引情況如圖3所示。
由圖3中可得出其最佳負載阻抗為1.614+j*1.604。下來就可根據阻抗匹配理論，在smithchar對輸出共扼匹配，利用微帶線完成匹配網絡，網絡在阻抗圓圖上的軌跡如圖4所示。
由圖4可以得出，該管芯的負載匹配電路如圖5所示。
把負載阻抗加入電路，再用同樣方法進行源阻抗牽引，并在smithchar完成匹配電路。最后把源阻抗也加入電路中，得到的整體電路如圖6所示。
而對整體電路進行優化后，再對整體電路進行諧波平衡仿真，其功率仿真結果如圖7所示。
由圖7可以看到，該電路的最佳輸出功率為49.644dBm，接近100W，因而可達預期的功率輸出。功放的效率仿真結果如圖8所示，可以看到，其效率值達到56.278%，符合功放設計的預期值。
5結語
本文對CREE公司的CGH60120D氮化鎵管芯進行負載牽引仿真，結果證明：此芯片設計下的C波段功率放大器的最佳功率能達到100W。可以滿足通信領域和雷達領域對功率放大器放大值的需求。
20211118_61963a0fc70fa__GaN管芯射頻功率放大器的研究
