一种GaN的C类功率放大器设计
材料方面的研究领域中，氮化镓作为最新半导体材料的重要代表之一，其具有宽禁带、高饱和电子漂移速率、高击穿场强等优点，已成为人们炙手可热的研究对象。为了探索GaN功率放大器的特点，文中选择CREE公司的功率管CGH40010。首先阐述了其设计步骤，利用ADS仿真软件并采用负载牵引和源牵引技术实现了输入输出端口的阻抗匹配，再对整体电路进行仿真分析，并用数据说明了放大器在1.76～1.84 GHz内可实现功率输出42 dBm以上，功率附加效率超过75%。结果表明，GaN放大器具有高效率与高增益等优点。
关键词：GaN半导体；功率放大器；负载牵引；源牵引；ADS
中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）06-00-04
0 引 言
随着现代无线通信系统的迅猛发展，对功率放大器的输出功率、带宽、效率、线性度和可靠性等方面都有了更高的要求[1，2]。在射频领域中，功率放大器作为无线通信系统中的关键组成部分而成为研究热点。尤其功率附加效率（PAE）、线性度和输出功率是微波功率放大器特别关注的性能指标。
以硅为主的晶体管材料LDMOS管是国内目前为止常用来研究的对象，它因为有较好的性能，低廉的价格而受到广泛应用。然而，它的功率密度低，容易被静电击毁；耐压不高，容易被击穿。而以GaN（Gallium Nitride，GaN）材料为主的功率放大器是一种高电子迁移率晶体管HEMT（High Electron Mobility Transistor，HEMT），它的寄生参数影响很小[3]，具体优势体现在以下几个方面：
（1） 击穿电压高，是砷化镓（GaAs）和Si LDMOS的两倍以上；
（2）功率密度大，同砷化镓（GaAs）半导体相比高出5倍；在对应同等功率晶体管体积下，由于GaN晶体管功率密度大的特性使得它的输出功率大，效率高；
（3）击穿电场高，端口寄生参数和漏电流小；
（4）电子饱和速率高及介电常数低，适合工作频率较高的微波功率放大器。
本文将充分利用GaN HEMT高性能射频功率晶体管的性能优势，采用GaN HEMT高性能射频功率晶体管代替传统的LDMOS功率管，利用Agilent ADS 仿真软件设计实现一款C类功率放大器， 在下面内容中将详细说明设计步骤并对放大器进行实验仿真， 结果表明，放大器可以在1.8 GHz内实现输出功率大于42 dBm， 附加效率超过75%。
1 功率放大器的设计
本文设计一款功率放大器，其目标参数为工作频率1.76～1.84 GHz，输出功率16 W，功率附加效率大于75%，功率增益大于14 dB，IMD3小于-13 dBc。
1.1 功率管的选择
在本文中根据放大器要求的设计指标， 选用CREE公司提供的型号为CGH40010的GaN HEMT功率管， 主要性能参数如表1所示。
1.2 功率放大器的设计步骤
在射频功率放大器原理图中主要分为三个组成部分，分别为输入匹配网络、输出匹配网络和偏置电路。本文中，VGS和VDS分别为栅极电压和漏极电压。整个电路设计过程中的主要思路是：首先对功率管进行直流分析确定放大器的静态工作点；之后对其进行稳定性分析；然后利用ADS中源牵引和负载牵引确定功率管匹配电路的最佳源阻抗ZS和最佳负载阻抗ZL，从而进行输入输出匹配电路设计。
1.2.1 静态工作点的确定
设计的第一步是对晶体管的静态工作点进行确定，而对于传统功放而言，晶体管的工作方式由静态工作点的不同来确定。本文通过采用直流扫描的方法来确定晶体管静态工作点。图1所示为直流扫描结果图，从图中可以看到晶体管不同的工作区所对应的栅极和漏极电压。因为该功放管在C类条件下工作，静态工作点应该选在截止区，所以选择VDS=28 V，VGS=-2.8 V作为放大器的工作电压。
1.2.2 稳定性分析
通常可以采用小信号参数的仿真来判定功放是否处于稳定性状态，在ADS软件中，S参数仿真原理图中加入稳定性分析的控件StabFact，其稳定性仿真如图2所示。
由图2可知，在1.0～3.0 GHz扫描频段范围内稳定系数StabFact>1，因此晶体管达到了绝对稳定状态。
1.2.3 源牵引和负载牵引分析
设计输入输出匹配电路首先要找到最佳输入输出匹配点，通常利用软件ADS中源牵引和负载牵引法得到匹配点。源/负载牵引是一种与阻抗相关的测量技术，通过不断调节输入和输出端的阻抗值，找到输出功率最大的输入、输出匹配阻抗。同理也可以得到功率管效率最高的匹配阻抗，通过这种方法可以准确测量出器件在大信号条件下的最优性能。
从图3中可读出功率放大器的最佳源阻抗与最佳负载阻抗分别为ZS=（2.848+j×2.514）Ω与ZL=（8.422+j×11.619）Ω
1.2.4 匹配电路设计
匹配电路在功率放大器设计中占有举足轻重的地位， 它不仅可以实现功率的理想传输，还可以增加电路的稳定性、减小噪声干扰、提高功放线性度和效率等功能。利用源/负载牵引法获得的最佳源阻抗和最佳负载阻抗依据阻抗变换原理将其匹配到50 Ω，输出匹配电路如图4所示，然后运用Linecacl工具，将之前利用Smit chart所匹配电路的理想微带线通过计算转化为更接近实际的微带线[4]，并对输出匹配电路进行仿真优化。采用源牵引法得到最佳源阻抗值进行输入匹配的过程与负载牵引原理相同，这里就不再复述。负载牵引和源牵引仿真结果如图3所示。在本文的设计中，微带线采用的衬底材料选择美国罗杰斯的RO4350，介质基片相对介电常数为2.94，厚度为0.508 mm，损耗角正切为1e-4。
2 电路仿真及分析
谐波本来就是一个很难仿真的量，而且还要看使用的谐波源和系统大小。一般来讲，使用Saber可稍微精确点，但它主要是针对电路级的，虽可以用，但跑起来很慢而且易于不收敛。对于射频电路，按照传统的SPICE模拟器对电路仿真需要花费很长时间才会获得响应结果，因此，可采用特殊的仿真技术在较短时间内获得稳态响应，谐波平衡法就是其中之一。
在频率中描述如二极管、三极管等非线性器件是非常困难的，在时域中，这些非线性元件很容易得到非线性模型，因此，在谐波平衡仿真器中，非线性系统在时域中描述，而线性系统在频域中描述，FFT则是联系时域和频域的一座桥。同时，非线性系统中最常采用的分析方法是谐波平衡法[5]，谐波平衡法有如下功能：（1）确定电流或电压的频谱成分；（2）计算参数，如三阶截取点、总谐波失真及交调失真；（3）执行电源放大器负载激励回路分析；（4）执行非线性噪声分析。
GaN功率放大器仿真原理如图5所示，采用谐波平衡法进行仿真，设置VDS（漏极电压）=28 V，VGS（栅极电压）=-2.8 V，f0（中心频率）=1.8 GHz，扫描功率为-30～40 dBm。同时，为减小传输线因为带线宽窄不一致而导致的不连续性，加入MTaper元件。在节点上连接3个器件且微带很宽的地方加入Mtee元件。
经过多次仿真后得到如图6所示的放大器仿真结果：在1.76～1.84 GHz，VDS=28 V，VGS=-2.8 V时，mag（PAE）=80.291，P1dB=40.076 dBm， Gain=14.076，这些基本满足了设计要求。此外，还利用双音仿真原理图进行电路仿真，双音仿真电路如图7所示。其仿真结果如图8所示。
输入双音信号频率间隔10 kHz时，双音信号输入功率12dBm，仿真得到信号输出功率29.612 dBm，三阶交调IMD3为-13.245 dBc，五阶交调IMD5为-21.266 dBc。然而，三阶交调信号2f2-f1和2f1-f2接近原始信号，过滤的难度更大，使用滤波器很难滤除。其它交调产生的产物都不一样，这取决于有源器件自身的自热效应和匹配网络及偏置网络阻抗变化的影响。
3 结 语
通过选择GaN晶体管做了一款C类功率放大器，因为C类功放导通角小于90度，谐波失真严重，三阶谐波抑制比不是很乐观。但是，由于GaN具有耐高温高压，高饱和电子漂移速率，宽禁带等优点，使得所设计的放大器效率高达75%以上，输出功率较高，充分体现了第三代新型材料GaN高效率和高增益的特点。
参考文献
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