基于GaN HEMT的S波段小型化内匹配功率管设计

1、PAGE PAGE - 9 -基于GaNHEMT的S波段小型化内匹配功率管设计王晓龙张磊摘要：采用总栅宽36mm的0.5um工艺GaNHEMT功率管芯，通过合理选择目标阻抗、优化匹配网络，设计了一款包含扼流电路的S波段小型化内匹配功率管。在+48V、-3.1V工作电压下，2.73.4GHz内，功率管输出功率250W，功率增益12dB，功率附加效率60%，尺寸仅为15mm6.6mm1.5mm，重量仅为0.6g，显示出卓越的性能，具有广泛的工程应用前景。关键词：功率管;GaN;内匹配;S波段;小型化中图分类号：TN12文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）02-0052-04Abs

2、tract：Usinga0.5umprocessGaNHEMTpowertubecorewithatotalgatewidthof36mm，anS-bandminiaturizedinternalmatchedpowertubeincludingchokecircuitisdesignedbyreasonablyselectingthetargetimpedanceandoptimizingthematchingnetwork.Undertheworkingvoltageof+48V，-3.1Vandwithin2.73.4GHz，theoutputpowerofpowertubeisgrea

3、terthanorequalto250W，thepowergainisgreaterthanorequalto12dB，thepoweraddedefficiencyisgreaterthanorequalto60%，andthesizeisonly15mm6.6mm1.5mm，weightisonly0.6g，showsexcellentperformanceandhasbroadengineeringapplicationprospectsKeywords：powertube;GaN;internalmatched;S-band;miniaturized0引言近年來，随着相控阵雷达快速发展

4、、列装以及民用5G无线通信网络的建设，对微波功率器件的小型化、高效率提出了更高的要求。宽禁带半导体GaN微波功率器件高耐压、高功率密度、高效率的特性1-4，决定了GaN微波功率器件在相控阵雷达、无线通信等军用和民用微波功率领域具有广泛的应用前景5-7。内匹配功率管是指内部包含所有匹配电路，可直接同50系统级联的功率管。相较于只在功率管内部做了部分匹配，外部需外加PCB匹配电路的预匹配功率管，内匹配功率管在尺寸和重量上有很大优势。本文设计的内匹配功率管不仅包含输入、输出匹配电路，并且包含输入、输出扼流电路。在2.73.4GHz内，其带内输出功率250W，功率增益12db，功率附加效率60%，而体

5、积仅为15mm6.6mm1.5mm，重量仅为0.6g，显示出很好的性能，工程应用前景广泛。1管芯选择本文选用0.5umHEMT工艺GaN功率管芯（由中国电子科技集团公司第十三研究所研制），图1为0.5umHEMT工艺GaN功率管芯纵向结构示意图。GaNHEMT器件利用AlGaN和GaN异质结形成的二维电子气（2DEG），将电子迁移率提升至2000cm2/Vs以上，具有优异的射频性能。本文选用的功率管芯采用SiC衬底。SiC衬底热导率高，同GaN的晶格失配和热膨胀系数失配较少，是目前使用最多的方案。本文选用6.23mm0.97mm的GaN功率管芯，其单指栅宽为450um，每胞10指，共8胞，总栅

6、宽36mm。在48V漏源电压、S波段条件下，其功率密度为8W/mm，可以满足输出功率大于250W的要求。图2是36mmGaN功率管芯的版图。2功率管设计2.1目标阻抗选取选定合适的目标阻抗是功率管设计中的关键一步，直接决定了功率管的最终性能。使用谐波平衡仿真器，利用器件的大信号模型，对器件进行源牵引和负载牵引仿真。如表1所示，器件最大功率阻抗和最佳效率阻抗随频率变化并不大，故以中心频率3.05GHz为典型频率进行阻抗点选取。实际仿真时，设置器件栅压-3.1V，漏压+48V，输入功率42dBm，工作频率3.05GHz。源牵引结果如图3，可以看到，最大功率阻抗和最佳效率阻抗基本重合，其最大功率阻抗

7、为0.4+j0.7，最佳效率阻抗为0.98+j0.2。负载牵引结果如图4，可以看到，最大输出功率为55.7dBm，其对应阻抗为2.37+j1.28;最高功率附加效率为75.0%，其对应阻抗为1.72+j3.22。选取1.0+j0.68为目标源阻抗，折中选择2.25+j2.3为目标负载阻抗，开展后续设计，对应增益13.1db、输出功率55.1dBm、功率附加效率68.2%。2.2匹配网络设计功率管设计的主要工作是设计匹配网络将50匹配到目标阻抗。虽然本文采用单管芯方案，但单只GaN功率管芯的长度达到6.23mm，按照最常用的氧化铝陶瓷基片9.9的介电常数计算，6.23mm，3.4GHz对应电长度

8、为69.5，功率管设计过程中仍需考虑功率合成的问题。除了尺寸问题，引入兼具阻抗变化功能的功分匹配网络还能拓展匹配电路带宽，故本文的匹配电路包含两部分：一是在陶瓷基板上实现的功分匹配网络，其兼具阻抗变换功能;二是功率管芯和厘米器之间，由键合金丝和单层电容组成的T型匹配网络。图5是本文所采用的匹配网络结构示意图。功率管芯可以视为多个管芯单胞的并联，功率管输出功率越大，需要的功率管芯胞数越多，其对应最佳阻抗越低，匹配电路阻抗变换比越大，设计难度越高。为了实现小型化，本文功分匹配网络采用了先功率合成，再阻抗变换的结构。相较于传统功分匹配网络9，将1/4波长阻抗变换线根数由两根精简为一根，虽然阻抗变换线

9、宽度会相应变宽，但一根阻抗变换线布局更灵活，图6是两种功分匹配网络的对比图。经过平面功分器之后，源阻抗被变换到9.7-j16.8，负载阻抗被变换到7.4+j0.5，T型匹配网络继续将阻抗匹配到目标阻抗。T型网络中的电感由键合金丝实现，具有Q值高和方便调试的优点。2.3扼流电路设计功率管功分匹配网络中只有一根1/4波长阻抗变化线，布局灵活，使功率管中有足够空间包含输入输出扼流电路。为了减小扼流线对匹配的影响，扼流线宽度尽量窄，以提高额流线的特性阻抗。输出功率大于100W的S波段内匹配功率管一般采用管壳封装10，11，尺寸21.4mm17.5mm5mm，并且需要外接扼流电路。内部集成扼流电路，使本

10、文所设计功率管的小型化优势在实际使用时更加明显。3研制结果3.1功率管制备功率管平面功分器采用厚度为0.254mm的氧化铝陶瓷实现。为了保证散热，GaN功率芯片以及输出侧隔直电容、扼流电容均使用金锡焊料共晶焊接在0.5mm厚钼铜载片上，其他元器件使用导电胶粘接。如图7为产品照片，产品尺寸15mm6.6mm1.5mm，重量0.6g。3.2微波性能在工作电压48V、-3.1V，输入功率42dBm，0.5ms/10ms占空比，常温工作条件下，对功率管进行测试，测试结果如图8。可以看到，功率管在2.73.4GHz范围内输出功率54.2dBm，增益波动小于0.34dB，频带内功率附加效率60%。表2为本

11、文所设计功率管同国内现有产品的指标对比，可以看到，与现有输出功率大于100W的功率管相比，本文所设计功率管尺寸明显更小;与同类型、同尺寸功率管相比，本文所设计功率管输出功率更大，且带宽更宽。3.3可靠性为评估功率管可靠性，将功率管焊接在铝盒体内对其进行高低温测试和高温老练，图9为高低温测试盒照片。相较于常温，85下，功率管输出功率下降0.40.5dB;-55下，功率管输出功率上涨0.30.4dB，且无自激现象。高低温试验后复测常温，功率管指标未见明显变化。85下，对功率管进行96小时射频老练，恢复常温后复测，功率管指标未见明显变化。试验结果表明，功率管可靠性满足一般工程使用需求。4结论采用中国

12、电子科技集团公司第十三研究所研制的GaNHEMT，本文研制了一款48V工作，在2.73.4GHz输出功率大于250W，自带输入、输出扼流电流的内匹配功率管，并验证了其可靠性。本文研制的功率管尺寸仅为15mm6.6mm1.5mm，重量仅为0.6g，性能卓越，具有非常广阔的工程应用前景。参考文献：1RUNTONDW，TRABERTB，SHEALYJB，etal.HistoryofGaN：High-PowerRFGalliumNitride（GaN）fromInfancytoManufacturableProcessandBeyondJ.IEEEMicrowaveMagazine，2022，14（3

13、）：82-93.2LEESY，JANGCO，HYUNGJH，etal.High-temperaturecharacteristicsofGaNnano-SchottkydiodesJ.PhysicaE：Low-dimensionalSystemsandNanostructures，2022，40（10）：3092-3096.3HIGUCHIT，NAKAGOMIS，KOKUBUNY.FieldeffecthydrogensensordevicewithsimplestructurebasedonGaNJ.SensorsandActuatorsB：Chemical，2022，140（1）：79-8

14、5.4WANGXL，CHENTS，XIAOHL，etal.Aninternally-matchedGaNHEMTsdevicewith45.2Wat8GHzforX-bandapplicationJ.Solid-StateElectronics，2022，53（3）：332-335.5蒙燕强.一种塔台用高压宽脉冲GaN功放设计与实现J.数字技术与应用，2022，36（1）：183-184+186.6郭立涛.一种L波段宽带双极化大功率T/R组件的设计与实现J.通讯世界，2022（2）：49-50.7郭庆.C波段GaNMMIC功率芯片在T/R组件中应用验证J.微波学报，2022，36（S1）：179-182.8闻彰.微波GaNHEMT大信号模型参数提取研究D.成都：电子科技大学，