一种应用于2.2GHz的射频功率放大器设计
赵弘毅 张丹 封维忠 王鑫钰
摘 要：采用Cree公司提供的CGH40010F GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）作为有源器件，设计了一款工作在2.2 GHz的射频功率放大器。利用ADS软件对功率管的偏置电路进行设计的仿真，利用阶跃式匹配方法扩展了带宽，通过对功率管寄生参数的仿真，有效地提高了功率附加效率（PAE）。仿真结果表明，在2.1 GHz～2.3 GHz的频率范围内，小信号S21增益为12.03 dB～12.77 dB，大信号输出功率为40.17 dBm，功率附加效率达到61.3%。达到设计指标的要求。
关键词：功率放大器;GaN高电子迁移率晶体管;高效率;寄生参数仿真;阶跃式匹配
Abstract：CGH40010F GaN high electron mobility transistor（HEMT） provided by Cree company is used as active device， and a RF power amplifier working at 2.2 GHz is designed. ADS software is used to design and simulate the bias circuit of power tube.The bandwidth is expanded by using the step matching method and the parasitic parameters of power tube are simulated to effectively improve the power added efficiency （PAE）. Simulation results show that in the frequency range of 2.1 GHz～2.3 GHz， the gain of small signal S21 is 12.03 dB～12.77 dB， the output power of large signal is 40.17 dBm， and the power added efficiency reaches 61.3% which meet the requirements of design indicators.
Key words：power amplifier; GaN high electron mobility transistor; high efficiency; parasitic parameter simulation; step matching method
射频功率放大器是现代通信系统的核心部件，广泛地运用于雷达、卫星通信及电子对抗中[1，2]。近些年来，随着5G通信的发展，低能耗、高效率、高输出功率、宽频带和小型化成为新一代无线通信收发系统的发展趋势[3]。我国进入5G商用元年以来，频谱资源日益紧张，这也触发了人们对于高输出功率、高效率的射频功率放大器的需求[4，5]。
第三代半导体材料以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等材料为代表，其中GaN是一种具有较大禁带宽度的新型材料[6]。和前两代半导体材料相比，GaN材料的大禁带宽度、高击穿电场让它在新时代微波器件的使用中有着得天独厚的优势。半导体的禁带宽度与晶格原子之间的化学键强度有关，更强的化学键意味着电子很难从一个位置跳跃至下一个位置。所以，比起一、二代半导体材料如Si、GaAs等，GaN具有更低的本征泄漏电流和较高的工作温度[7]。
基于氮化镓材料制成的高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）是近年来射频功放器件中最为常用的选择。其中AlGaN间隔层中很大的禁带宽度限制了电子的运动，形成了能够从源极向漏极运动的高密度二维电子气（2DEG）[8]。相比于其他类型的功率管，具有高功率密度、高效率、宽带等优点，因此广泛应用于军用、民用无线通信系统中[9]。
针对无线收发系统中高效率、大功率的要求，采用Cree公司提供的GaN HEMT功率晶体管CGH40010F， 设计了一款工作在S波段，带宽可达200 MHz的射频功率放大器。主要进行了静态工作点及偏置的仿真、稳定性系数的检测，搭建晶体管寄生参数仿真模型并利用ADS对晶体管进行负载/源牵引技术，最终得到可以实现高效率的最优负载阻抗与源阻抗，通过阶跃式匹配进行电路设计。总体目标为：放大器工作在2.2 GHz频段，输出功率不小于10 W（40 dBm），功率附加效率（PAE）大于60%，小信號增益大于10 dB。
1 基板选择
由于放大器偏置与匹配电路的设计中使用了微带线结构，而微带线的性能与基板厚度、相对介电常数、损耗角正切等因素有关，故综合考虑各项因素，采用Rogers 4350B高频板作为介质基板，其参数如表1所示。
2 放大电路设计
2.1 静态工作点的选取
射频功率放大器中静态工作点的选取决定了功率管的工作状态，不同的工作点使得功放具有不同的特性，因此选择合适的工作点成为设计功放电路的关键一环。根据如图1（a）所示的I-V曲线以及图1（b）所示的晶体管输出特性曲线，选取漏极电压VDS=28 V，栅极电压VGS=-2.7 V作为直流偏置点。
2.2 偏置电路的设计与稳定性检测
偏置电路设计的好坏影响着整个电路的稳定性，为了防止功率反射回入射端，造成功放电路出现振荡现象，一般会采用λ/4长度的微带线将电路的直流部分和射频部分进行隔离[10]，根据式（1），此时从信号源输入端向直流电源看去，输出阻抗为无穷大，从而让射频信号与直流信号互不干预。
栅极偏置电路如图2（a）所示，仿真结果如图2（b）所示：在2.1 GHz～2.3 GHz频段内，S21十分接近0，S31均小于-50 dB，表明在栅极偏置电路中，直流信号几乎无泄露，且与射频输入信号隔离度较好，符合偏置设计的要求。
2.3 含寄生参数的晶体管建模仿真
由于本文使用的CGH40010F GaN HEMT属于非线性有源器件，随着晶体管工作频率的增加，晶体管的寄生参数引起的谐波效应会大大恶化输出功率及附加效率。在S波段，晶体管寄生参数主要由漏极输出电容Cds、寄生电感Ld和封装引入的外部寄生电容Cp构成，因此本文建立了如图5所示的晶体管模型。
使用负载、源牵引技术求得晶体管在2.2 GHz的工作频率下最佳负载、源阻抗如表2所示。
2.4 匹配电路的设计
匹配电路的设计直接影响放大器的工作特性，常见的匹配方式有分布式、多枝节匹配、阶跃式匹配等方式[11]。其中多枝节匹配与阶跃式匹配的原理相同，都是通过降低Q值达到扩展带宽的目的。但相较于阶跃式匹配，多枝节匹配缺点是增加版图面积，各枝节电磁耦合严重，在实际应用中往往不可忽视。
阶跃式匹配是将多端微带线串联，进行路径优化，尽可能降低电路Q值从而达到宽带匹配的目的的一种匹配方案。以输出匹配为例，将Term1端口匹配至Term2端口，为了实现最大功率传输，则1端口的阻抗为最佳负载阻抗的共轭，即（10.603-j14.062） Ω。使用传统多枝节阻抗匹配方法如图6（a）所示，史密斯圆图中与直径两端相连的弧线为等品质因数弧线，Q值为1.8。使用阶跃式匹配方法如图6（b）所示，Q值为1.3，既降低了Q值拓展了带宽，又有效地缩小电路板的面积，符合设计要求。
2.5 射频功率放大器整体设计
将电路的偏置部分与含有寄生参数的晶体管模型搭建好，在输入输出端分别采用阶跃式阻抗匹配方法，得到如图7所示的整体拓扑结构。
功放整体仿真结果如图8-10所示，在2.1 GHz～2.3 GHz频段内，回波损耗均小于11 dB，表明反射回输入端的功率很小，达到一般设计所要求小于-10 dB的标准。功率增益范围在12.025 dB～12.765 dB之间，输入功率为30 dBm时，输出功率超过40.167 dBm，功率附加效率达到61.3%。
3 结 论
采用CGH40010F晶体管设计了一款适用于2.2 GHz的功率放大器，采用阶跃式匹配方法，对含寄生参数模型的晶体管电路进行了小信号及大信号的仿真。在200 MHz的带宽内输出功率大于于10 W，功率附加效率大于60%，小信号增益大于10 dB，达到了设计初的目标，符合当今5G无线通信系统的要求。
参考文献
[1] ANERA S M H S， HUSSEINI T， ALSAHALI S， et al. High-efficiency broadband pa design based on continuous class-f mode with compression[C]. 2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium， 2018：698-701.
[2] LATHA Y M A， RAWAT K， ROBLIN P. Nonlinear embedding model-based continuous class E/F power amplifier[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2019， 29（11）：714-717.
[3] DHAR S K， SHARMA T， DARRAJI R， et al. Input-harmonic-controlled broadband continuous class-F power amplifiers for sub-6-GHz 5G applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2020， 68（7）：3120-3133.
[4] 馬亮. 毫米波宽带射频系统及宽带高效率功率放大器的研究[D]. 南京：
东南大学，2016：5.
[5] 朱守奎. 高效率GaN HEMT F类/逆F类功率放大器研究和设计[D]. 天津：
天津大学，2017：5.
[6] 徐雷. 应用于通信基站的F类功率放大器研究[D]. 杭州：
杭州电子科技大学， 2019.
[7] 丁瑶. 高效率射频功率放大器的研究[D]. 合肥：
中国科学技术大学， 2012.
[8] HUANG Hang， YU Cui-ping， WU Yong-le， et al. The concurrent inverse class-F mode for concurrent dual-band RF power amplifiers[C]. 2019 IEEE MTT-S International Wireless Symposium， 2019.
[9] GILASGAR M， BARLABE A， PRADELL L. High-efficiency reconfigurable dual-band class-F power amplifier with harmonic control network using MEMS[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2020， 30（7）：677-680.
[10]YANG Zhen-xing， YAO Yao， LI Ming-yu， et al. A precise harmonic control technique for high efficiency concurrent dual-band continuous is class-f power amplifier[J]. IEEE ACCESS， 2018，（6）：51864-51874.
[11]游冠雄. 面向5G通信的宽带GaN MMIC功率放大器研究[D]. 成都：
电子科技大学， 2020.
