CN102340290A - 一种适用于高频功率器件的稳定网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高频功率器件的并联LCR稳定网络，该稳定网络由第一电感、电阻、第二电感和电容依次串联而成，第一电感并联在输入匹配电路中，电容接地，其中：第一电感，用于稳定网络和输入匹配电路之间的互联，以及改善功率器件的稳定性；电阻，用于改善功率器件的稳定性；第二电感，用于电阻和电容的互联，以及改善功率器件的稳定性；电容，用于改善功率器件的稳定性。利用本发明，在保证电路稳定性的同时，减少了稳定网络对内匹配功率器件的损耗，改善了高频功率器件的线性度，从而提高了器件的功率增益和输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件和混合微波集成电路技术领域，尤其涉及一种适用于高频功率器件的稳定网络。
背景技术
为了使高频功率器件获得高的功率增益和输出功率，需要增加功率器件的尺寸和级数，但是也会使得功率器件出现高增益、相位不一致性高、寄生效应明显等问题，这些问题都可能导致各种振荡，从而直接影响到高频功率器件的正常工作，甚至导致其烧毁。因此，稳定网络是高频功率器件设计过程中必不可少的关键工艺步骤之一。
对于功率器件而言，要求稳定网络能够使功率器件处于绝对稳定状态，即仿真时功率器件的稳定因子K全频段大于1。由于稳定网络一般都是采用无源元件组成，如电阻、电容和电感，这些无源元件都会给高频功率器件带来损耗，从而影响功率器件的功率增益和输出功率。因此，需要合理设计稳定网络，使得既能改善功率器件的稳定性，又尽量少地影响功率器件的性能。
图1为传统RC稳定网络的拓扑结构示意图。如图1所示，在传统的稳定网络(102)中，包括并联的一个电阻和一个电容。所述的稳定网络(102)串联在输入匹配电路(包括101、103)中，输入匹配电路(包括101、103)与功率器件(104)相连，功率器件(104)与输出匹配电路(105)相连。这样的稳定网络可以改善管芯的稳定性，但是串联在输入匹配电路中的并联RC稳定网络会参与匹配，从而会增加功率器件的损耗，降低器件的功率增益和输出功率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明针对现有高频功率器件内匹配设计过程中所面临的稳定性不好、稳定网络损耗大，从而降低器件的功率增益和输出功率的不足，提供了一种适用于高频功率器件的稳定网络。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种适用于高频功率器件的并联LCR稳定网络，该稳定网络由第一电感、电阻、第二电感和电容依次串联而成，第一电感并联在输入匹配电路中，电容接地，其中：
第一电感，用于稳定网络和输入匹配电路之间的互联，以及改善功率器件的稳定性；
电阻，用于改善功率器件的稳定性；
第二电感，用于电阻和电容的互联，以及改善功率器件的稳定性；
电容，用于改善功率器件的稳定性。
上述方案中，所述输入匹配电路由第一单元201和第二单元203串联而成，其中：
第一单元201，用于功率器件的输入阻抗匹配；
第二单元203，用于功率器件的输入阻抗匹配，以及功率器件和输入匹配电路的互联。
上述方案中，该稳定网络并联于所述第一单元201与所述第二单元203之间。
上述方案中，所述第二单元203还连接于功率器件204，该功率器件204用于雷达、电子对抗和无线通信基站等高频大功率通信领域。
上述方案中，所述功率器件204还连接于输出匹配电路205，该输出匹配电路205用于功率器件的输出阻抗匹配。
上述方案中，该稳定网络并联于输入匹配电路时，每个输入匹配电路并联一个稳定网络。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的这种适用于高频功率器件的稳定网络，是用来提高C波段内匹配功率器件的稳定性，抑制其振荡，从而能够正常工作；在保证电路稳定性的同时，减少了稳定网络对内匹配功率器件的损耗，从而提高了器件的功率增益和输出功率；此外，还减少了电阻和电容带来的寄生效应，改善了高频功率器件的性能。
附图说明
图1为传统稳定网络的拓扑结构示意图；
图2为本发明所应用的单个GaN HEMTs功率器件的结构示意图；
图3为本发明所应用的单个GaN HEMTs功率器件的小信号特性示意图；
图4为本发明提供的适用于高频功率器件的稳定网络的拓扑结构示意图；
图5为采用本发明的稳定网络(a)和传统的稳定网络(b)的功率器件实物图；
图6为采用本发明的稳定网络(a)和传统的稳定网络(b)的稳定因子仿真结果对比示意图；
图7为采用本发明的稳定网络(a)和传统的稳定网络(b)的小信号S21的仿真结果和实测结果对比示意图；
图8为采用本发明的稳定网络(a)和传统的稳定网络(b)的GaNHEMTs功率器件的功率特性实测结果对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图2所示，图2为本发明所应用的单个GaN HEMTs功率器件的结构示意图。在图2中，上、下电极分别是输入和输出电极，分别用于连接输入匹配电路和输出匹配电路。所述的功率器件采用基于SiC衬底的AlGaN/GaN HEMTs微波功率器件。
如图3所示，图3为本发明所应用的单个GaN HEMTs功率器件的小信号特性示意图。该功率器件在5.4GHz下的理想功率增益为13.949dB。采用本发明所述的稳定网络，用于由1只图2所示的单个功率器件中，该高频功率器件由输入匹配电路和输出匹配电路匹配至50欧姆。
如图4所示，图4为本发明提供的适用于高频功率器件的稳定网络的拓扑结构示意图，该适用于高频功率器件的稳定网络即为并联LCR稳定网络202，将并联LCR稳定网络202串联在GaN HEMTs输入匹配电路中。该稳定网络202由第一电感、电阻、第二电感和电容依次串联而成，第一电感并联在输入匹配电路中，电容接地。其中，第一电感用于稳定网络和输入匹配电路之间的互联，以及改善功率器件的稳定性；电阻，用于改善功率器件的稳定性；第二电感，用于电阻和电容的互联，以及改善功率器件的稳定性；电容，用于改善功率器件的稳定性。该稳定网络并联于输入匹配电路时，每个输入匹配电路并联一个稳定网络。
该输入匹配电路由第一单元201和第二单元203串联而成，其中，第一单元201用于功率器件的输入阻抗匹配，第二单元203用于功率器件的输入阻抗匹配，以及功率器件和输入匹配电路的互联。该稳定网络并联于所述第一单元201与所述第二单元203之间。该第二单元203还连接于功率器件204，该功率器件204用于雷达、电子对抗和无线通信基站等高频大功率通信领域。该功率器件204还连接于输出匹配电路205，该输出匹配电路205用于功率器件的输出阻抗匹配。
将采用本发明的稳定网络与图1所示的传统的稳定网络进行对比，可得本发明的稳定网络的优点：(1)本发明的稳定网络并联在功率器件的输入匹配电路中，对功率器件的阻抗匹配影响较小，因此对GaN HEMTs功率器件的增益影响较小，从而功率器件可以获得较高的功率增益和输出功率；(2)本发明的稳定网络对功率器件的阻抗匹配影响较小，因此可以减少封装过程中引入的寄生效应，有助于功率器件避免寄生振荡。
如图5所示，图5为采用本发明的稳定网络(a)和传统的稳定网络(b)的功率器件实物图。其中，匹配电路201、203、205、101、103和105制作在陶瓷片衬底上；204和104为相同的功率器件；稳定网络202和102中的电阻为采用TaN薄膜电阻工艺制作在陶瓷片衬底上；稳定网络202和102中的电容为MIM芯片电容，采用共晶工艺焊接在陶瓷片或者管壳上；所有的部件都采用共晶工艺焊接在金属管壳中。
如图6所示，图6为采用本发明的稳定网络(a)和传统的稳定网络(b)的稳定因子仿真结果对比示意图。采用本发明的稳定网络和传统的稳定网络，都能使功率器件的稳定因子几乎全频段都大于1，即采用两种稳定网络都能使功率器件处于绝对稳定的状态。
如图7所示，图7为采用本发明的稳定网络(a)和传统的稳定网络(b)功率器件的小信号S21的仿真结果和实测结果对比示意图。采用两种稳定网络功率器件的实测结果都低于仿真结果，但是采用本发明的稳定网络得到的小信号S21实测结果(图a实线)，明显优于采用传统的稳定网络得到的小信号S21实测结果(图b实线)，5.4GHz下两者分别为8.983dB和7.841dB。其原因在于本发明的稳定网络并联在功率器件的输入匹配电路中，对功率器件的阻抗匹配影响较小，因此对GaN HEMTs功率器件的增益影响较小，从而功率器件可以获得较高的功率增益和输出功率。此外，采用本发明的稳定网络带来的寄生效应也较小。
如图8所示，图8为采用本发明的稳定网络(a)和传统的稳定网络(b)的GaN HEMTs功率器件的功率特性实测结果对比示意图。功率性能是衡量功率器件的主要指标，稳定网络的目的在于使功率器件稳定的工作，但同时不能影响功率器件的其他性能。将采用本发明稳定网络和传统稳定网络的两只GaN HEMTs器件，分别进行了功率性能的测试，测试条件为5.4GHz连续波，工作类别都是AB类。如图8所示，采用本发明的稳定网络得到的功率性能实测结果(图a)，明显优于采用传统的稳定网络得到的功率性能实测结果(图b)。采用本发明稳定网络的功率器件能够获得较高的功率增益和输出功率，两个功率器件的功率增益分别为9dB和7.8dB，最大输出功率分别为37.2dBm(5.3W)和36.5dBm(4.5W)，最大PAE分别为55.7％和38.1％。两个GaN HEMTs功率器件的功率特性实测结果再次验证了采用本发明所述的稳定网络的优点。
传统的稳定网络中，采用将并联的RC稳定网络串联在功率器件的输入端。这样的稳定网络可以改善器件的稳定性，但是RC稳定网络会参与匹配，从而会增加功率器件的损耗，降低器件的功率增益和输出功率。
本发明采用将串联的LCR稳定网络，并联在内匹配功率器件输入匹配电路，保证了电路稳定性的同时，减少了稳定网络对内匹配功率器件的损耗，从而提高了器件的功率增益和输出功率。此外，本发明适用于高频功率器件的稳定网络还减少了电路的寄生效应，改善了高频功率器件的性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种适用于高频功率器件的并联LCR稳定网络，其特征在于，该稳定网络由第一电感、电阻、第二电感和电容依次串联而成，第一电感并联在输入匹配电路中，电容接地，其中：
第一电感，用于稳定网络和输入匹配电路之间的互联，以及改善功率器件的稳定性；
电阻，用于改善功率器件的稳定性；
第二电感，用于电阻和电容的互联，以及改善功率器件的稳定性；
电容，用于改善功率器件的稳定性。
2.根据权利要求1所述的适用于高频功率器件的并联LCR稳定网络，其特征在于，所述输入匹配电路由第一单元(201)和第二单元(203)串联而成，其中：
第一单元(201)，用于功率器件的输入阻抗匹配；
第二单元(203)，用于功率器件的输入阻抗匹配，以及功率器件和输入匹配电路的互联。
3.根据权利要求2所述的适用于高频功率器件的并联LCR稳定网络，其特征在于，该稳定网络并联于所述第一单元(201)与所述第二单元(203)之间。
4.根据权利要求2所述的适用于高频功率器件的并联LCR稳定网络，其特征在于，所述第二单元(203)还连接于功率器件(204)，该功率器件(204)用于雷达、电子对抗和无线通信基站等高频大功率通信领域。
5.根据权利要求2所述的适用于高频功率器件的并联LCR稳定网络，其特征在于，所述功率器件(204)还连接于输出匹配电路(205)，该输出匹配电路(205)用于功率器件的输出阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的适用于高频功率器件的并联LCR稳定网络，其特征在于，该稳定网络并联于输入匹配电路时，每个输入匹配电路并联一个稳定网络。
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