高效率和大功率氮化镓半导体放大器研究

摘要

现今生活中，无线通信无处不在，从航空航天、雷达通信系统到无线路由器、蓝牙通信，都是无线微波通信的应用成果。通信系统的不断完善，对微波功率放大器提出了越来越高的要求，以Ge、Si为代表的第一代半导体和以GaAs为代表的第二代半导体都已经不能完全满足系统对功率放大器的高频大功率要求，而以宽禁带半导体GaN为代表的第三代半导体材料，以高的工作频率、高的功率密度和高的功率附加效率等优良特性成为微波功率器件和微波单片集成电路应用的最重要选择。
　　在此背景下，本文对AlGaN/GaN HEMT功率放大器进行深入的研究，其中包括表征器件的电特性，建立器件的小信号和大信号模型，重点是对高效率和大功率的微波放大器的研究，设计并实现了S波段和C波段的高效率、大功率GaN基固态放大器。本论文的主要研究成果如下：
　　①AlGaN/GaN HEMT器件表征分析。深入地对1.25mm栅宽的AlGaN/GaN HEMT进行了电特性表征分析，包括器件的输出特性、转移特性、肖特基特性、击穿特性、小信号S参数和大功率特性，全面地评价了器件在高频大功率应用方面的能力，并研究了器件的频率特性随着偏置条件的变化规律，确定了器件应用时的最佳偏置点；
　　②改进EEHEMT模型并建立了一个新的HEMT器件模型。建立了一个新的19元件的小信号等效电路模型，利用测试表征时所测试的多偏置条件下的器件S参数，提取了器件的寄生参数和本征参数，对S参数的拟合获得了很高的精度。同时，探究中发现了利用测得的器件转移特性和小信号建模过程中提取的器件寄生参数，代入Agilent公司的EEHEMT模型时，器件的输出特性拟合精度较差。本文通过结合输出特性测试结果和双曲正切函数，引入了Kink电流项，使模型的输出特性精度更高，并同时大大改善了功率附加效率的模拟精度；
　　③S波段高效大功率放大器的研究。基于自主生产的10mm栅宽AlGaN/GaN HEMT，利用所建立的器件模型，设计并实现了工作在1.8GHz~2.2GHz的AB类功率放大器。为了提高放大器的功率附加效率，提出了以微带开路短截线组成谐波抑制网络，有效地抑制了器件的二次谐波，明显改善了放大器的效率和线性度；为了实现放大器的宽频带设计，提出了一种多节阻抗变换网络方法，获得了较为理想的带宽。实现的GaN功率放大器在40V的偏置电压下，在整个工作频率范围内，脉冲输出功率高于80W，功率附加效率在70％以上；在连续波模式下，输出功率大于50W，功率附加效率高于60%；
　　④C波段内匹配高效大功率放大器的实现。深入开展了内匹配方法的研究，通过模型仿真得到器件的基频和二次谐波频率阻抗，在管壳内部实现了带有谐波抑制电路的匹配网络。为了尽可能地简化电路，在谐波抑制网络中引入了基频下的λ/4传输线，将器件的二次谐波短路，而对基频形成开路。基于本重点实验室研制的10mm栅宽的AlGaN/GaN HEMT功率芯片，设计并实现了工作频率为3.7GHz~4.2GHz，工作电压为40V的C波段功率放大器。该放大器在脉冲工作模式下，放大器的输出功率在100W以上，功率附加效率高于65%，功率增益大于17dB，其中在4GHz下，放大器的饱和输出功率达到107.4W，功率附加效率达到了72.1%，这是国际上 C波段100W量级放大器中的最高效率。同时，该放大器在连续波模式下，实现了放大器的输出功率在60W以上，功率附加效率高于63%；
　　⑤C波段合成内匹配高效大功率放大器的研究。进一步结合内匹配技术和功率合成方法，对两个10mm栅宽的AlGaN/GaN HEMT进行芯片级的合成，尽可能地减小由于功率合成而引入的损耗。功率合成电路利用Wilkinson功率分配器实现，在进行功率合成的同时，也对器件的阻抗起到匹配作用。谐波抑制方法和网络拓扑结构与单芯片内匹配放大器相同。所设计的放大器工作于5.2GHz~5.8GHz，偏置条件为Vds=40V，Vgs=-2.4V。放大器的脉冲输出功率达到155W以上，功率附加效率高于65%，功率增益高于12.9dB；在5.6GHz处，放大器获得了最大功率166W，功率附加效率为69.4%，功率增益13.2dB；在连续波模式下，放大器在工作频带内输出功率高于85W，功率附加效率高于50%。
　　综上所述，本文在GaN器件大信号模型及参数提取、放大器谐波抑制方法、S波段和C波段的高效率和大功率放大器实现等方面开展了深入的研究，放大器的性能指标达到了目前国际上的高水平，为更高效率和更大功率放大器的设计和实现奠定了重要的基础和明确的方向。

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第一章 绪 论

1.1 GaN基微波器件的优势

1.2 AlGaN/GaN HEMT研究背景

1.3 本文主要研究内容

第二章AlGaN/GaN HEMT原理及器件工艺

2.1 AlGaN/GaN HEMT的工作原理

2.2AlGaN/GaN HEMT器件工艺

2.3 本章小结

第三章AlGaN/GaN HEMT器件建模

3.1 AlGaN/GaN HEMT器件的测试表征

3.2 AlGaN/GaN HEMT小信号模型建立

3.3 AlGaN/GaN HEMT大信号模型建立

3.4 本章小结

第四章 S波段谐波抑制高效大功率放大器

4.1高效率放大器的实现方法

4.2 S波段高效率放大器电路设计

4.3 S波段高效率放大器的实现与测试

4.4 本章小结

第五章 C波段内匹配高效大功率放大器

5.1 内匹配技术

5.2 C波段内匹配放大器电路设计

5.3 C波段内匹配测试电路设计

5.4 C波段内匹配放大器的实现与测试

5.5 本章小结

第六章 C波段内匹配合成功率放大器

6.1 功率合成技术

6.2 C波段内匹配合成放大器电路设计

6.3 C波段内匹配测试电路设计

6.4 C波段合成放大器的实现与测试

6.5 本章小结

第七章 结束语

7.1 本论文主要工作

7.2 未来的研究

参考文献

致谢

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