P波段GaN基功率放大器的设计及实现

摘要

作为通信系统和雷达系统中最重要的设备之一，射频功率放大器的作用无可替代。目前，基于Si、GaAs等材料的功率放大器，由于受材料性能的限制，已经逐渐不能满足大功率、高效率、宽带宽和小体积的要求。近年来，以GaN、SiC等材料为代表的第三代半导体材料，具有更小的寄生参数，能够承受更高的电场，具有更高的电子迁移率、功率密度及热传导效率，可以很好地满足系统对功率放大器各指标的要求。P波段射频功率放大器主要应用于军用雷达的发射接收组件中，P波段雷达可以探测隐身目标还可作为超远程警戒雷达使用。但同时，P波段的频率较低、波长较长，使得P波段功率放大器的体积较大。而且，P波段功率放大器较高的增益也容易导致不稳定现象。因此，基于GaN材料而解决传统P波段射频功率放大器缺点的研究工作尤为重要。 本文分别介绍了功率放大器的发展和应用现状、氮化镓高电子迁移率晶体管概述、射频功率放大器的理论基础，文章主体部分提出了一种500-600MHz GaN基功率放大器的设计与实现方法。包括电路图的仿真，版图的制作以及功率放大器的测试与调试。功率放大器的设计过程中使用了ADS射频仿真软件以及射频测试系统（信号源、功率计、电源、示波器、衰减器、频谱、矢量网络分析仪）。设计目标为：末级功率放大器带内增益大于15dB，输出功率大于58dBm(600W)，功率附加效率大于80%。最终的测试结果显示：在栅电压为-1.6V，漏电压为28V的条件下，漏端电流为300mA，带内驻波参数S11小于-10dB，带内小信号增益大于28dB；在栅电压为-2.3V，漏电压为48V，输入脉冲波300us、20%占空比，输入功率为41.5dBm的条件下，得到在500-600MHz内输出功率大于58.5dBm(700W)，功率附加效率大于85%，最高点为87%，平坦度小于0.3dB，增益大于17dB，最终的功率放大器尺寸为110×60mm2。并针对P波段功率放大器低频状态下不稳定的现象，提出了RC-LC稳定性网络，将滤波器的概念应用于功率放大器的匹配电路设计中，在不影响功率和效率的前提下，显著改善了功率放大器的稳定性。 本文提出了一种P波段GaN基大功率高效率射频功率放大器的设计方案，并针对功率放大器的稳定性提出了RC-LC稳定性网络，为低频高增益功率放大器的稳定性设计提供了一种新的解决方法。

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