P波段GaN基功率放大器的设计及实现

发布时间：2020-04-06 10:13

【摘要】：作为通信系统和雷达系统中最重要的设备之一,射频功率放大器的作用无可替代。目前,基于Si、GaAs等材料的功率放大器,由于受材料性能的限制,已经逐渐不能满足大功率、高效率、宽带宽和小体积的要求。近年来,以GaN、SiC等材料为代表的第三代半导体材料,具有更小的寄生参数,能够承受更高的电场,具有更高的电子迁移率、功率密度及热传导效率,可以很好地满足系统对功率放大器各指标的要求。P波段射频功率放大器主要应用于军用雷达的发射接收组件中,P波段雷达可以探测隐身目标还可作为超远程警戒雷达使用。但同时,P波段的频率较低、波长较长,使得P波段功率放大器的体积较大。而且,P波段功率放大器较高的增益也容易导致不稳定现象。因此,基于GaN材料而解决传统P波段射频功率放大器缺点的研究工作尤为重要。本文分别介绍了功率放大器的发展和应用现状、氮化镓高电子迁移率晶体管概述、射频功率放大器的理论基础,文章主体部分提出了一种500-600MHz GaN基功率放大器的设计与实现方法。包括电路图的仿真,版图的制作以及功率放大器的测试与调试。功率放大器的设计过程中使用了ADS射频仿真软件以及射频测试系统(信号源、功率计、电源、示波器、衰减器、频谱、矢量网络分析仪)。设计目标为:末级功率放大器带内增益大于15dB,输出功率大于58dBm(600W),功率附加效率大于80%。最终的测试结果显示:在栅电压为-1.6V,漏电压为28V的条件下,漏端电流为300mA,带内驻波参数S11小于-10dB,带内小信号增益大于28dB;在栅电压为-2.3V,漏电压为48V,输入脉冲波300us、20%占空比,输入功率为41.5dBm的条件下,得到在500-600MHz内输出功率大于58.5dBm(700W),功率附加效率大于85%,最高点为87%,平坦度小于0.3dB,增益大于17dB,最终的功率放大器尺寸为110×60mm~2。并针对P波段功率放大器低频状态下不稳定的现象,提出了RC-LC稳定性网络,将滤波器的概念应用于功率放大器的匹配电路设计中,在不影响功率和效率的前提下,显著改善了功率放大器的稳定性。本文提出了一种P波段GaN基大功率高效率射频功率放大器的设计方案,并针对功率放大器的稳定性提出了RC-LC稳定性网络,为低频高增益功率放大器的稳定性设计提供了一种新的解决方法。
【图文】：

晶格结构,材料

西安电子科技大学硕士学位论文/cm) 0.3 0.4 3.0 εr11.8 13.1 9.7 z) 20 150 20 2) 0.2 0.5 10 可以很直观地得出 GaN 材料相比于其他强度以及最大的功率密度。同时，其频率体领域中的一种较为常见的化学元素，子序数为 31。化合物 GaN 由氮原子和镓两个面心立方套构而成，属于六角密堆键，晶体中原子间化学键不同的比例成分重越大则容易产生亚稳态的闪锌矿结构氮化物半导体材料离子键含量较高，所料内部晶格结构如图 2.1 所示。

示意图,大信号模型,示意图

DS在 GaN 一侧的界面处流动，这些由于外加电压的作了漏极电流 IDS，因此可以通过外加的电压的方式达aN HEMT 器件模型HEMT 器件可以承受很高的电压，具有很宽的禁带宽关速度，所以相对于传统的 MOS 器件、BJT 器件，频功率放大器上。器的仿真过程中，模型的准确性至关重要，一个准确路之间的桥梁[18]。GaN HEMT 模型有两种：在大的和状态下，，输出增益产生压缩，此时描述晶体管工作图 2.3 所示；当输入功率较小时，晶体管工作在线性体管工作在小信号状态下的模型被称为小信号模型，立较为容易，为大信号建模提供基础。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN722.75

【参考文献】