GaN HEMT低噪声器件建模与高效率放大器设计

摘要

氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）具有二维电子气（2DEG）密度高，击穿电压高等优点，非常适合功率放大器。由于GaN HEMT能够承受较高的输入功率，做为低噪声放大器在接收组件中可减少限幅电路的使用，基于此可实现低噪声与功率放大器的单片集成。针对GaN HEMT特性本文做了如下工作：
　　1、分析了GaN HEMT的工作机理，研究了GaN HEMT数值物理模型，建立了GaN HEMT数值物理模型，并与实测数据进行对比。基于该模型进一步研究了（1）氮化铝（AlN）插入层对器件高频噪声性能的影响。研究结果表明，含 AlN插入层的HEMT在8GHz时，最小噪声系数降低0.5dB，噪声电导降低50％，电流截止频率提高17%。（2）槽栅GaN HEMT在毫米波频段的噪声性能。与传统结构GaNHEMT相比，在80GHz，槽栅GaN HEMT最小噪声系数改善1.2dB，电流截止频率（fT）提高约10%，最大振荡频率（fmax）提高约11%，跨导提高约40%。
　　2、针对传统噪声等效电路建模测试数据需求量大的缺点，本文改进了一种传统的噪声等效电路模型及建模方法。通过引入栅漏反馈电容，增加了高频条件下模型的准确性。该模型另一优点是不含经验参数，无需参数拟合即可预测器件的噪声性能。本文采用该模型并结合国内GaN工艺线生产的HEMT器件，设计了一款低噪声放大器（LNA），测试结果表明：该LNA在1.5~4GHz频带内增益大于13dB，增益平坦度优于±0.5dB，噪声系数小于2.5dB。
　　3、针对GaN HEMT具有较大的输出电容，难以实现逆F类功率功率放大器偶次谐波的开路，本文采取外电路补偿的方式设计了一款GaN逆F类功率放大器。原理图与版图联合仿真结果表明：该功率放大器在中心频率3.1GHz，带宽800MHz范围内实现功率附加效率（PAE）大于60%，输出功率大于42dBm，增益大于6dB。并对该功率放大器进行了加工，调试与分析。实验测试结果表明，在1.8~2.35GHz频段内小信号增益大于8dB，1.95GHz~2.25GHz频段内漏极效率大于65%，输出功率大于43.5dBm，其中2.0GHz实现最大输出功率大于45.3dBm，漏极效率70.03%，2.2GHz时实现最大漏极效率75.68%，输出功率44.7dBm。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景

1.2发展动态

1.3 本文主要内容

第二章 GaN低噪声HEMT物理模型研究

2.1 GaN HTMT工作机理

2.2 GaN HEMT噪声基础

2.3 AlN插入层对AlxGa1-xN/InGaN/GaN HEMT高频噪声的影响

2.4 槽栅结构对GaN HEMT高频噪声特性影响研究

2.5 本章小结

第三章 GaN HEMT低噪声等效电路模型及器件设计研究

3.1 GaN HEMT小信号等效电路模型

3.2 GaN HEMT噪声等效电路模型

3.3 GaN HEMT低噪声器件设计

3.4 本章小结

第四章逆F类GaN HEMT高效率功率放大器设计

4.1功率放大器分类

4.2 GaN逆F类功率放大器设计

4.3逆F类功放测试与分析

4.4 本章小结

第五章 结 论

5.1 本文的主要贡献

5.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻硕期间参与的项目与取得的研究成果