C～X波段氮化镓高效率大功率放大器研究

摘要

当今社会，无线通信和半导体芯片已经应用到我们生活的方方面面，手机通信、Wi-Fi、卫星电视、雷达通信、大型服务器等无不改变着我们的生活方式。氮化镓微波功率放大器无疑是通信与半导体技术的重要交汇点之一，它可以应用在最新一代的通信方式中，适应新一代通信的大功率、高效率、宽频带要求；它是第三代化合物半导体的典型代表，具有很高的性能。
　　在本文中，我们介绍了AlGaN/GaN的材料生长和HEMT器件工艺，建立了相应的等效电路模型。在此基础上，展开了 GaN微波功率放大器的大功率、高效率、宽频带三方面的详细研究，提出了新的理论方法，分别实现了X波段大功率放大器、X波段高效率放大器和C波段宽带放大器。本论文的主要研究成果如下：
　　①AlGaN/GaN HEMT工艺介绍和模型建立。介绍了AlGaN/GaN HEMT器件的工作原理，分析了二维电子气的形成机制，说明了AlGaN/GaN异质结材料的生长过程，描述了 HEMT器件制作的工艺流程。表征分析了器件的直流特性、频率特性和功率特性，建立了器件的等效电路模型，通过测量不同状态下的直流特性和S参数，提取了等效电路参数值，能够准确拟合器件特性，为后面的电路设计奠定了基础。
　　②X波段100W内匹配功率放大器研制。采用负载牵引技术得到了1.25mm栅宽HEMT器件的最佳源阻抗和负载阻抗，并将其等比例扩展到大栅宽器件，通过 T型匹配网络和功分器实现阻抗匹配，实现了双胞合成的 X波段内匹配功率放大器。设计并实现了 X波段测试夹具，具有良好的传输和反射特性。测试结果表明，该功率放大器在8GHz时具有110W饱和输出功率和53.1％最大PAE。
　　③X波段200W功率合成放大器实现。采用两种方法实现了200W功率合成放大器，第一种方法使用外匹配Wilkinson功分器，将两个相同规格的内匹配百瓦功率放大器进行功率合成，制作了腔体屏蔽盒，实现了饱和输出功率为207W，最大PAE为53.0%，功率增益为10.0dB的功率放大器。第二种方法采用具有良好的传输、反射、隔离特性的内匹配一分八功分器和T型匹配网络将四个管芯进行功率合成，降低了器件间串扰，将X波段200W功放的尺寸降低到外匹配合成方式的1/37。
　　④高效率F类功率放大器三次谐波的理论研究。分析了常见几种提高效率的方法，指出F类和逆F类功放是高频下提高效率的有效手段。分析表明适量的三次谐波电压分量可以塑造F类功放输出波形，提高基波功率和效率。讨论了膝点电压降低F类功放功率和效率的原因，比较了有无膝点电压时最佳三次谐波分量的不同，得出结论：膝点电压会使F类功放三次谐波阻抗点偏离理想的开路点。
　　⑤X波段内匹配逆 F类功率放大器的研制。分析了不同频段下寄生效应对逆 F类最佳阻抗的影响，指出X波段输出电容Cds对谐波阻抗影响较大，已经不能以器件端口作为设计参考面。采用补偿设计方法，使得二次谐波开路和三次谐波短路在器件电流源端口实现，达到了电流电压重叠较小、谐波包含能量较少的要求，实现了逆F类功放的阻抗条件、波形条件和频谱条件。测试结果表明该功放在 X波段连续波工作模式下PAE为61.7%，比相同管芯制作的AB类功放高16.3%。
　　⑥双频匹配图形法研究。指出功率放大器输出匹配的核心为负载线阻抗到系统阻抗的匹配，采用两节微带线结构实现双频匹配。采用相交的两段弧线在 SmithChart描述双频匹配过程，利用几何方法计算出匹配参数，有效的将SmithChart中的1/4波长线匹配从单频点扩展到双频点，比传统代数方法简洁、直观、物理意义明确。仿真和实测结果表明，该方法可以应用在双频匹配和带宽展宽中。
　　⑦C波段宽带100W内匹配功放实现。将点到点的负载线理论扩展到点到一个区域，理论上说明了在SmithChart中功率放大器等功率线的画法，描述了比最大功率降低1dB的等功率线，分析了寄生参数对等功率线的影响。在宽频带内，采用双节匹配网络和渐变线功分器将系统阻抗50欧姆匹配到功率放大器的-1dB等功率线内，实现了5GHz-8GHz的宽带100W功放，增益平坦度1dB以内。

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第一章 绪论

1.1 GaN材料及器件特点

1.2 GaN功率放大器研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章 AlGaN/GaN HEMT器件工艺及建模

2.1 AlGaN/GaN HEMT器件工作原理

2.2 AlGaN/GaN HEMT器件工艺流程

2.3 AlGaN/GaN HEMT器件建模

2.4本章小结

第三章 X波段大功率放大器

3.1 X波段内匹配功率放大器

3.2 X波段外匹配合成功率放大器

3.3 X波段功率放大器尺寸缩小研究

3.4本章小结

第四章 X波段高效率功率放大器

4.1高效率功率放大器的发展

4.2膝点电压对F类功率放大器的影响

4.3 X波段逆F类功率放大器的实现

4.4本章小结

第五章 C波段宽带功率放大器

5.1负载线匹配理论

5.2双频匹配新方法研究

5.3 C波段宽带功率放大器的实现

5.4本章小结

第六章 结束语

6.1本论文主要工作

6.2未来工作展望

参考文献

致谢

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