CN112737525A

CN112737525A - 一种宽带高效GaN内匹配功率管

Info

Publication number: CN112737525A
Application number: CN202110057384.0A
Authority: CN
Inventors: 钟世昌; 时晓航; 景少红; 王帅; 李飞; 曹建强; 杨文琪
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2021-04-30

Abstract

本发明涉及一种新型宽带高效GaN内匹配功率管，其输入、输出均采用多级阻抗变换形式的带通匹配网络，将匹配元件制作在陶瓷基片上；在靠近GaN HEMT管芯栅端位置通过并联一段电感、电容、电阻串联电路到地与GaN HEMT的Cgs串联电阻Rin组成一个并联谐振网络。通过优化使得该网络在基波频带内形成并联谐振，使输入阻抗在较宽的频带内实现效率匹配；同时该网络引入一定损耗，减小了低频增益，有效提高了放大器稳定性，改善驻波，并且扩展了带宽。引入串联电阻Rin，可以提升输入阻抗，阻抗的提升利于对大功率GaN HEMT器件实现宽带阻抗匹配。本发明有效的减小了GaN HEMT器件宽带匹配的实现难度，使得宽带高效GaN功率管的使用愈加广泛。

Description

一种宽带高效GaN内匹配功率管

技术领域

本发明是一种宽带高效GaN内匹配功率管，属于微波功率放大器技术领域。

背景技术

随着雷达和通信等无线系统对前端模块多功能、快反应、抗干扰、高可靠和机动性的要求不断提升，小型化、高效率、宽频带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（GaN HEMT）功率器件具有工作频率高、功率密度高、击穿电压高、效率高等优点，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战略技术计划。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、Qorvo、Macom以及日本的Fujitsu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波段及以下的其他频段。目前除Macom等公司重点发展基于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，GaN HEMT其性能优势非常明显。典型的如美国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。根据Integra公司报道的实验室级高压产品，其在145V工作电压下，工作在P波段的单管可以实现1.1KW的输出。

近年来无线系统的集成度越来越高，功能越来越复杂，但是系统的功耗和体积都在下降，这就对元器件的高效率小型化提出了新的要求。微波功率放大器是系统发射通道的重要组成部分，其功耗通常占据了组件的大部分功耗，单个功率器件高效率输出可以有效减少系统总功耗；功放体积，尤其是末级功放体积通常占据较大的体积，内匹配功放的形式通过采用高介电常数的陶瓷基片有效减少功放电路面积，可以减小系统体积。

发明内容

本发明提出的是一种宽带高效GaN内匹配功率管，其目的在于针对现有技术的不足，提出一种实现单个功率器件在较宽的工作频率内高效输出，内匹配功率器件有效减少了放大器尺寸，满足微波系统实现系统小型化要求的新型宽带高效GaN内匹配功率管。

本发明的技术解决方案：本发明提出一种新型宽带大功率GaN内匹配功率管，此功率管由双胞GaN HEMT管芯合成实现输出，管芯栅宽越大，GaN HEMT器件的输入与输出阻抗越低，在进行阻抗匹配时越困难。本发明中的输入、输出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；输入匹配网络采用谐振网络匹配形式，在GaN HEMT管芯栅端附近采用电感L₁电阻R₁与GaN HEMT的C_gs电容、串联电阻R_in形成并联谐振网络，通过优化L₁、R₁、R_in的值实现基波频带内并联谐振，使得输入阻抗在较宽频带内接近最佳效率点，并同时提升器件稳定性，提升GaN HEMT输入阻抗，阻抗提升利于对大栅宽GaN HEMT器件实现宽带阻抗匹配，实现更高性能的微波功率器件。

所述输入匹配网络包含栅馈电部分，采用分布参数电路进行匹配，包括L₁并联电感、L_in1第一级电感、L_in2第二级电感、Rin串联电阻、C_in电容、R₁电阻和C₁电容，组成R_in-L₁-L_in1-C_in-L_in2 T型匹配网络，L₁并联电感另一端串联连接R₁电阻和C₁电容，C₁电容接地；其中L₁并联电感、L_in1第一级电感、L_in2第二级电感采用介电常数小于20的低介电常数陶瓷制作，C_in电容采用介电常数大于70的高介电常数陶瓷制作。

所述输出匹配网络包含漏馈电部分，采用分布参数电路进行匹配，包括L₂并联电感、L_out1第一级电感、L_out2第二级电感、C_out电容、C₂电容，组成L₂-L_out1-C_out-L_out2 T型匹配网络，L₂并联电感另一端串联连接C₂电容，C₂电容接地；其中L₂并联电感、L_out1第一级电感、L_out2第二级电感采用介电常数小于20的低介电常数陶瓷制作，C_out电容采用介电常数大于70的高介电常数陶瓷制作。

所述低介电常数陶瓷为氧化铝陶瓷。

所述匹配网络均采用微带结构，为分布式元件。

所述L₁并联电感采用微带线等效，栅端通过L₁并联电感进行馈电；栅端的R₁电阻、R_in电阻采用集总电阻；漏端L₂并联电感采用微带线等效，漏端通过L₂并联电感进行馈电。

所述输入匹配网络、GaN HEMT管芯、输出匹配网络制作在SiC衬底上。

所述C₁电容、C₂电容为漏偏置电路去耦电容，阻止直流供电到地，采用集总元件MIM电容；R₁电阻、R_in电阻采用薄膜电阻。

本发明的有益效果：

由于所述输入、输出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，匹配网络均采用并联谐振匹配形式，将GaN HEMT管芯栅端附近通过电感L1、电阻R1与GaN HEMT的Cgs电容、串联电阻Rin形成并联谐振网络，将GaN HEMT管芯漏端附近通过微带电感L2与GaN HEMT的Cds电容形成并联谐振网络。采用内匹配网络直接将GaN HEMT器件匹配到50欧姆附近输出，极大的减小了射频放大器的面积，并且使用更加方便。

由上述可知，此新型宽带高效GaN功率管栅端，漏端都采用分布式谐振网络匹配，可实现单个功率器件宽频带高效率输出。此宽带高效GaN内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体积减小系统功耗，实现系统小型化低功耗要求。

附图说明

图1为本发明的一种新型宽带高效GaN内匹配功率管内部结构图；

图2为本发明的一种新型宽带高效GaN内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高效GaN内匹配功率管电路原理图；

图4为本发明的一种新型宽带高效内匹配功率管输出特性测试结果。

图中L是电感、R是电阻、C是电容。

具体实施方式

一种新型宽带高效GaN内匹配功率管，实现单个功率器件在较宽的工作频率内高效输出，内匹配功率器件有效减少了放大器尺寸，满足微波系统实现系统小型化要求。首先，为了达到宽带高效率输出，本发明选用了击穿电场高、热导率高等优点的GaN HEMT器件，此功率器件可以工作在较高电压（≥28V）情况下，具有更高功率密度，更高的散热能力，更高的漏极阻抗，为实现宽带高效输出提供保证。

其次，选择一种新型匹配网络，使得功率管实现宽频带匹配。输入内匹配网络采用分布式元件匹配，将匹配元件制作在陶瓷基片上，并引入宽带谐振网络，在GaN HEMT管芯栅端附近通过分布电感L₁、电阻R₁与GaN HEMT的C_gs电容、串联电阻R_in形成并联谐振网络，通过优化L₁、R₁、R_in的值使得在基波频带内形成并联谐振，使输入匹配在较宽频带内接近效率匹配，同时提升器件稳定性，提升GaN HEMT输入阻抗，阻抗提升有利于对大栅宽GaN HEMT器件实现宽带阻抗匹配；输出匹配网络也采用相似的匹配形式，在GaN HEMT管芯漏端附近通过分布电感L₂与GaN HEMT的C_ds电容形成并联谐振网络，通过优化L₂的值使得在基波频带内形成并联谐振，提升GaN HEMT输出阻抗，便于实现宽带匹配。此处C₁、C₂为漏偏置电路去耦电容，阻止直流供电到地。

此外，输入匹配电路采用多级阻抗变换结构实现宽带匹配，输入阻抗匹配网络采用R_in-L_in1-C_in-L_in2 T型匹配网络，该匹配网络在史密斯圆图中所对应的Q值较低，有效的扩展了匹配带宽。输入匹配网络电感L_in1、L_in2采用相对低介电常数的氧化铝陶瓷等效，电容C_in采用相对高介电常数的陶瓷等效，可有效减小匹配电路的尺寸，便于实现小型化。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

本发明为一种新型宽带高效GaN内匹配功率管，其内部结构图见图1所示，图2为放大GaN内匹配功率管管芯附近的结构图。其中输入匹配网络采用分布式谐振匹配网络进行匹配，将匹配元件制作在氧化铝陶瓷基片上，在两胞GaN HEMT管芯栅端附近通过分布电感L₁、电阻R₁与GaN HEMT的C_gs电容、输入电阻R_in形成谐振网络，通过优化L₁、R₁、R_in的值使得在基波频带内形成并联谐振，这样可以提升电路带宽，改善输入驻波，提升电路稳定性，提升GaN HEMT栅端输出阻抗，阻抗提升利于对大栅宽GaN HEMT器件实现宽带阻抗匹配。同理，输出匹配网络亦采用分布式谐振匹配网络进行匹配，在两胞GaN HEMT管芯漏端附近通过分布电感L₂与GaN HEMT的C_ds电容形成并联谐振网络，通过优化L₂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。图3为内匹配功率管的电原理图。

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50mm，该芯片50V漏极工作电压下，输出功率密度达到6W/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管芯栅端附近通过分布电感L₁、电阻R₁、与GaN HEMT的C_gs电容、串联电阻R_in形成谐振网络，有效提升电路带宽，提升电路稳定性，改善电路驻波，提升GaN HEMT栅端阻抗，有利于进一步将低阻抗匹配到高阻抗。

如图4所示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曲线图，从图中可以看出，在1.0GHz~1.5GHz频带范围内输出功率大于600W（58dBm），附加效率大于60%。

综上所述，本发明设计了一种新型宽带高效GaN内匹配功率管，此新型宽带高效GaN内匹配功率管输入、输出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，输入匹配网络采用一种新型谐振网络，栅端通过引进LRC谐振网络提升栅端输出阻抗，同时进一步提升管芯稳定性，拓展带宽，实现单个功率器件宽频带内稳定输出。

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。

实施例1

其中L₁使用分布参数电感，其单边电感值约为0.465nH，单边电阻R₁阻值为0.75Ω，C₁为陶瓷电容，容值为1000pF，具有去耦功能。C_gs为管芯栅源电容，最佳效率处的阻抗所对应容值约为1.2pF/mm，单管芯电容值为66pF。其对应谐振频率计算可简化为式1所示：

式1

其谐振频率为1.28GHz。

其品质因子计算如式2所示：

式2

其品质因子为5，其对应相对带宽约为1/Q，即20%。品质因子的减小可以有效提升带宽，但是品质因子太低会降低增益，根据带宽选择。

Claims

1.一种宽带高效GaN内匹配功率管，其特征是包括输入匹配网络、GaN HEMT管芯、输出匹配网络，所述GaN HEMT管芯有两胞，两胞GaN HEMT管芯并联排列，所述输入匹配网络、输出匹配网络采用谐振网络匹配形式，采用分布式元件匹配，在每胞GaN HEMT管芯栅端或漏端旁通过分布电感、电阻与GaN HEMT管芯内的电容、电阻形成并联谐振网络，在基波频带内形成并联谐振，使得输入阻抗在宽带内接近最佳效率点，同时提升GaN HEMT输入阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种宽带高效GaN内匹配功率管，其特征是所述输入匹配网络包含栅馈电部分，采用分布参数电路进行匹配，包括L₁并联电感、L_in1第一级电感、L_in2第二级电感、Rin串联电阻、C_in电容、R₁电阻和C₁电容，组成R_in-L₁-L_in1-C_in-L_in2 T型匹配网络，L₁并联电感另一端串联连接R₁电阻和C₁电容，C₁电容接地；其中L₁并联电感、L_in1第一级电感、L_in2第二级电感采用介电常数小于20的低介电常数陶瓷制作，C_in电容采用介电常数大于70的高介电常数陶瓷制作。

3.根据权利要求1所述的一种宽带高效GaN内匹配功率管，其特征是所述输出匹配网络包含漏馈电部分，采用分布参数电路进行匹配，包括L₂并联电感、L_out1第一级电感、L_out2第二级电感、C_out电容、C₂电容，组成L₂-L_out1-C_out-L_out2 T型匹配网络，L₂并联电感另一端串联连接C₂电容，C₂电容接地；其中L₂并联电感、L_out1第一级电感、L_out2第二级电感采用介电常数小于20的低介电常数陶瓷制作，C_out电容采用介电常数大于70的高介电常数陶瓷制作。

4.根据权利要求2或3所述的一种宽带高效GaN内匹配功率管，其特征是所述低介电常数陶瓷为氧化铝陶瓷。

5.根据权利要求2或3所述的一种宽带高效GaN内匹配功率管，其特征是所述匹配网络均采用微带结构，为分布式元件。

6.根据权利要求2或3所述的一种宽带高效GaN内匹配功率管，其特征是所述L₁并联电感采用微带线等效，栅端通过L₁并联电感进行馈电；栅端的R₁电阻、R_in电阻采用集总电阻；漏端L₂并联电感采用微带线等效，漏端通过L₂并联电感进行馈电。

7.根据权利要求1所述的一种宽带高效GaN内匹配功率管，其特征是所述输入匹配网络、GaN HEMT管芯、输出匹配网络制作在陶瓷衬底上。

8.根据权利要求2或3所述的一种宽带高效GaN内匹配功率管，其特征是所述C₁电容、C₂电容为漏偏置电路去耦电容，阻止直流供电到地，采用集总元件MIM电容；R₁电阻、R_in电阻采用薄膜电阻。

9.根据权利要求2或3所述的一种宽带高效GaN内匹配功率管，其特征是所述L₁并联电感使用分布参数电感，其单边电感值约为0.465nH， R₁电阻阻值为0.75Ω，C₁为陶瓷电容，容值为1000pF，具有去耦功能，C_gs为管芯栅源电容，最佳效率处的阻抗所对应容值约为1.2pF/mm，单管芯电容值为66pF。