CN110729281A - 一种宽带大功率GaN预匹配功率管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种宽带大功率GaN预匹配功率管，涉及微波功率放大器，属于基本电子电路的技术领域。该宽带大功率GaN预匹配功率管的输入预匹配网络采用分布式元件匹配，将匹配元件制作在氧化铝陶瓷基片上；输出预匹配网络采用谐振网络匹配形式，在靠近GaN HEMT管芯漏端位置通过一段电感电容串联到地与GaN HEMT的漏源极间电容组成一个并联谐振网络，通过优化电感的感值使得并联谐振网络在基波频带内形成并联谐振，提升GaN HEMT对地阻抗，阻抗的提升利于大功率GaN HEMT器件实现宽带阻抗匹配。本发明有效地减小了大功率GaN HEMT器件宽带匹配的实现难度，使得宽带大功率GaN功率管的使用愈加广泛。
Description
技术领域
本发明公开了一种宽带大功率GaN预匹配功率管，涉及微波功率放大器，属于基本电子电路的技术领域。
背景技术
针对雷达和通信系统多功能、快反应、抗电子干扰、高可靠和机动性的进一步发展要求，小型化、高性能的微波功率放大器成为目前的研究趋势。以Ge、Si为代表的第一代半导体和以GaAs为代表的第二代半导体都已经不能完全满足系统对功率放大器的高频大功率要求。以GaN为代表的第三代半导体材料具有禁带宽、电子迁移率高、电子饱和速率高、击穿电压高、热导率高、化学稳定性好和抗辐射能力强等特点。高电子迁移率晶体管（GaNHEMT）功率器件因具有工作频率高、功率密度高、击穿电压高、功率附加效率高等优点而逐渐成为目前微波功率器件和微波单片集成电路应用的理想器件。
作为新一代固态微波功率器件，GaN HEMT微波功率器件自问世以来就一直受到欧、美、日本等各国的特别关注并得到重点发展，西方各国都将GaN微波功率器件及MMIC电路研究列入一系列优先发展的方向。特别是近几年来，国外GaN HEMT产品技术的发展更是超出预期，不仅器件的性能水平不断提高，同时器件的工程应用也越来越广泛。2009年发布的国际半导体技术路线图（ITRS-2009）更是进一步明确GaN HEMT将在2013-2017年间在Ka波段以下的功率应用领域替代GaAs。目前，美国的Cree、RFMD、TriQuint、Nitronex以及日本的Fujitsu、Eudyna、Sumitomo等多家公司均有GaN HEMT功率管产品，产品重点针对L、S波段的基站应用，同时也扩展到Ku波段及以下的其它频段。目前，除Nitronex重点发展基于Si衬底的GaN HEMT技术外，其余各家均采用半绝缘SiC衬底。较之Si、GaAs微波功率器件，GaNHEMT的性能优势非常明显。典型地，如美国CREE公司产品顶级水平在L波段达到了1000W，在S波段达到了500W，在C、X波段达到了200-300W，其主要最高工作电压在50V-65V。
近年来，系统的集成度越来越高且功能越来越复杂，整机单位需要通过简化通道实现小型化要求。微波功率器件是系统发射通道的重要组成部分，单个功率器件大功率输出可以有效减少系统通道数进而实现系统小型化要求，这就需要功率放大器能够输出足够高的功率。为了达到新的功率特性水平，满足未来通信的需求，近年来的研究主要指向宽禁带半导体器件。以GaN为代表的第三代半导体功率器件具有高电流密度、高击穿电压、高功率密度，在高频大功率的应用中具有非常大的潜力，本发明旨在提出一种实现宽带阻抗匹配的GaN预功率管。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种宽带大功率GaN预匹配功率管，既满足了大功率需求又实现了整机通道简化，解决了现有微波功率器件不能同时满足大功率输出和整机单位小型化需求的技术问题。
故本发明提出了一种新型宽带大功率GaN预匹配功率管的设计方法。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
本发明提出的一种宽带大功率GaN预匹配功率管，实现单个功率器件大功率输出，单个功率器件大功率输出可以有效减少系统通道数，进而实现系统的小型化。
首先，为了达到宽带大功率输出，本发明选用了功率密度大、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强的GaN HEMT器件，此功率器件可以工作在更高电压（≥28V）情况下，具有更高功率密度，为实现大功率输出提供保证。
其次，选择一种新型匹配网络，使得功率管实现大功率宽频带匹配。输入预匹配网络采用分布式元件匹配，将匹配元件制作在氧化铝陶瓷基片上；输出预匹配网络采用谐振网络匹配形式，在两胞GaN HEMT管芯漏端附近通过谐振电感与GaN HEMT的漏源极间电容形成并联谐振网络，通过优化谐振电感的感值使得并联谐振网络在基波频带内并联谐振，进而提升GaN HEMT输出阻抗，输出阻抗的提升有利于大栅宽GaN HEMT器件实现宽带阻抗匹配。此处，谐振电感还串接有到地的漏偏置电路去耦电容，该漏偏置电路去耦电容阻止直流供电到地。两胞GaN HEMT管芯并联排列，漏端谐振电感采用数根一定长度的金丝等效，管芯漏端再通过若干根金丝与管壳连接。
此外，输出外匹配电路采用多节阶梯式阻抗变换结构实现宽带匹配，并通过基波频率四分之一波长线馈电，达到控制二次谐波进而提升效率的目的。输入阻抗匹配网络包括管壳内预匹配阻抗网络和外匹配阻抗网络。预匹配阻抗网络采用LCL 的T型匹配网络，预匹配网络使得管芯输入阻抗在管壳内部得到提升，便于外匹配网络设计。输入预匹配网络中接输入信号的第一级电感采用相对低介电常数的氧化铝陶瓷等效，与GaN HEMT管芯栅端连接的第二级电感采用金丝电感等效，T型匹配网络中的电容采用相对高介电常数的氧化铝陶瓷等效。输入外匹配阻抗网络同样采用多节阶梯式阻抗变换线结构。
输入输出外匹配网络均采用高介电常数的介质板材制作。高介电常数的介质板材可有效减小电路尺寸，实现器件小型化。输入输出馈电网络均通过四分之一波长线馈电，并使用接在输入/输出微带线端口上的贴片电容进行去耦或低频滤波，输入/输出微带线端口上连接RC串联电路到地提高电路稳定性。此外，输入外匹配网络靠近输入管腿（栅极）的位置并联RC串联网络到地，通过改变RC串联网络中的电阻阻值来调节功率增益，加强电路稳定性。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）本发明的输入预匹配网络采用分布式元件匹配，将匹配元件制作在氧化铝陶瓷基片上，输出预匹配网络采用并联谐振匹配形式，GaN HEMT管芯漏端附近通过金丝电感与GaNHEMT的漏源极间电容形成并联谐振网络。采用预匹配网络提升了GaN HEMT器件的输入输出阻抗，阻抗提升易于对大栅宽GaN HEMT器件实现宽带阻抗匹配，既降低了匹配难度，同时又可以实现宽带阻抗匹配。
（2）本发明公开的宽带大功率GaN预功率管，其栅端采用分布式元件预匹配，漏端采用一种新型谐振匹配网络，实现单个功率器件宽频带大功率输出，此宽带大功率GaN预匹配功率管在系统要求相同输出功率的前提下可以有效减少系统通道数，实现系统小型化。
附图说明
图1为本发明的一种新型宽带大功率GaN预匹配功率管内部结构图。
图2为本发明的一种新型宽带大功率GaN预匹配功率管内部放大结构图。
图3为本发明的一种新型宽带大功率GaN预匹配功率管总装图。
图4为本发明的一种新型宽带大功率GaN预匹配功率管电路原理图。
图5为本发明的一种新型宽带大功率预匹配功率管输出特性测试结果。
图中标号说明：Lin、L1、L2、Lout为电感，Cin、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C9、C10、C11、C12、C为电容， Cds为GaN HEMT管芯的漏源极间电容，R1、R2、R3、R4为电阻。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明公开的一种新型宽带大功率GaN预匹配功率管，其内部结构图见图1所示，图2为GaN预匹配功率管内部的放大结构图，其中，输入预匹配网络采用分布式元件匹配，将匹配元件制作在氧化铝陶瓷基片上，输出预匹配网络采用一种新型谐振匹配网络，在两胞GaN HEMT管芯漏端附近通过金丝电感L1与GaN HEMT的漏源极间电容Cds形成并联谐振网络，通过优化L1的值使得在基波频带内形成并联谐振，提升GaN HEMT漏端输出阻抗，阻抗提升易于对大栅宽GaN HEMT器件实现宽带阻抗匹配。
图3为带有输入输出外匹配电路结构的总装图。输入输出外匹配电路均采用多节阶梯式阻抗变换结构实现宽带匹配，馈电网络均通过四分之一波长线馈电，并使用低ESR高Q值贴片电容C2和电容C9进行去耦，使用贴片电容实现电容C3、电容C7、电容C10、电容C11进行低频滤波，输入外匹配电路连接电阻R2和电容组成C4的串联网络到地，输出外匹配电路连接电阻R3和电容C6组成的串联网络到地，提高了电路稳定性。
为实现宽带大功率输出，本实例中采用双胞GaN HEMT管芯，每胞GaN管芯栅宽为80mm，该芯片50V漏极工作电压下，输出功率密度达到8W/mm。所以GaN HEMT管芯的输出阻抗非常小，只有零点几欧姆，直接匹配到50欧姆难度非常大，且电路极不稳定，所以本发明中在两胞GaN HEMT管芯漏端附近通过金丝电感L1与GaN HEMT的漏源极间电容Cds电容形成并联谐振网络，提升GaN HEMT漏端输出阻抗，有利于进一步将低阻匹配到高阻抗。输出外匹配网络采用多节阶梯式阻抗变换结构实现宽带匹配，材料选用高介电常数低损耗板材，实现器件小型化。此外，馈电网络末端采用一系列不同数量级容值的电容进行去耦与滤波，去耦电容采用低ESR高Q值贴片电容，输入外匹配电路连接电阻R2和电容C4组成的串联网络到地，输出外匹配电路连接电阻R3和电容C6组成的串联网络到地，电阻R3采用50Ω贴片电阻，电容C6采用1000pF贴片电容。
输入阻抗匹配网络包括管壳内预匹配阻抗网络和外匹配阻抗网络。如图4所示，预匹配阻抗网络采用电感Lin、电容Cin电感L2组成的T型匹配网络，预匹配网络使得管壳内部的管芯输入阻抗得到提升，便于外匹配网络设计。输入预匹配网络的第一级电感Lin采用低介电常数的氧化铝陶瓷等效，第二级电感L2采用金丝电感等效，电容Cin采用高介电常数的氧化铝陶瓷等效。输入外匹配阻抗网络同样采用多节阶梯式阻抗变换线结构，材料选用高介电常数低损耗板材。输入外匹配网络靠近管壳输入管腿的位置并联电阻R4和电容C5组成的串联网络到地，通过改变电阻R4阻值来调节功率增益，加强电路稳定性。
本实例中，管芯采用双胞80mm GaN HEMT管芯，该芯片50V漏极工作电压下，输出功率密度达到8W/mm。图5为本发明中器件在漏电压VD等于50V的情况下输出功率与附加效率特性测试的曲线图，从图中可以看出，在1.1GHz~1.5GHz频带范围内输出功率大于1000W（60dBm），附加效率大于70%。
综上所述，本发明设计了一种新型宽带大功率GaN预匹配功率管，此新型宽带大功率GaN预匹配功率管输入预匹配网络采用分布式元件匹配，将匹配元件制作在氧化铝陶瓷基片上，输出预匹配网络采用一种新型谐振网络，漏端通过引进LC谐振网络提升漏端输出阻抗，有利于进一步将低阻匹配到高阻抗，实现单个功率器件宽频带内大功率输出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种宽带大功率GaN预匹配功率管，其特征在于，包括至少两胞GaN HEMT管芯，每胞GaN HEMT管芯栅极接有的输入预匹配网络为分布式元件匹配网络，每胞GaN HEMT管芯的源极接有LC串联支路，所述LC串联支路中的电感与GaN HEMT管芯的漏源极间电容并联谐振，LC串联支路中的电容为漏偏置电路去耦电容。
2.根据权利要求1所述一种宽带大功率GaN预匹配功率管，其特征在于，所述输入预匹配网络为LCL的T型匹配网络，所述T型匹配网络包括第一电感、第二电感和电容，第一电感的一端接输入信号，第二电感的一端、电容的一极均与第一电感的另一端连接，第二电感的另一端接GaN HEMT管芯的栅极，电容的另一极接地，第一电感采用低介电常数的氧化铝陶瓷等效，第二电感采用金丝电感等效，电容采用高介电常数的氧化铝陶瓷等效。
3.根据权利要求1所述一种宽带大功率GaN预匹配功率管，其特征在于，该预匹配功率管还包括多节阶梯式阻抗变换结构的输入外匹配电路和输出外匹配电路。
4.根据权利要求1所述一种宽带大功率GaN预匹配功率管，其特征在于，所述LC串联支路中的电感采用数根金丝等效，GaN HEMT管芯漏极通过数根金丝键合到管壳内端子。
5.根据权利要求3所述一种宽带大功率GaN预匹配功率管，其特征在于，多节阶梯式阻抗变换结构的输入外匹配电路包括：四分之一波长微带线、第一去耦电容、第一滤波电容、第二滤波电容、RC串联支路，第一去耦电容、第一滤波电容、第二滤波电容的一极接在四分之一波长微带线端口，第一去耦电容、第一滤波电容、第二滤波电容的另一极接地，RC串联支路中的电容接在四分之一微带线端口上，RC串联支路的电阻接地。
6.根据权利要求3所述一种宽带大功率GaN预匹配功率管，其特征在于，多节阶梯式阻抗变换结构的输出外匹配电路包括：四分之一波长微带线、第二去耦电容、第三滤波电容、第四滤波电容、RC串联支路，第二去耦电容、第三滤波电容、第四滤波电容的一极接在四分之一波长微带线端口上，第二去耦电容、第三滤波电容、第四滤波电容的另一极接地，RC串联支路中的电容接在四分之一微带线端口上，RC串联支路的电阻接地。
7.根据权利要求5所述一种宽带大功率GaN预匹配功率管，其特征在于，所述多节阶梯式阻抗变换结构的输入外匹配电路靠近GaN HEMT管芯栅极的位置并联有一个RC串联网络。
8.根据权利要求7所述一种宽带大功率GaN预匹配功率管，其特征在于，第一去耦电容、第一滤波电容、第二滤波电容、RC串联支路中的电容、RC串联网络中的电容为高Q值贴片电容，RC串联支路中的电阻、RC串联网络中的电阻为厚膜贴片电阻。
9.根据权利要求6所述一种宽带大功率GaN预匹配功率管，其特征在于，第二去耦电容、第三滤波电容、第四滤波电容、RC串联支路中的电容为高Q值贴片电容，RC串联支路中的电阻为厚膜贴片电阻。
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