高效率和大功率氮化鎵半導(dǎo)體放大器研究.pdf

1、現(xiàn)今生活中，無(wú)線(xiàn)通信無(wú)處不在，從航空航天、雷達(dá)通信系統(tǒng)到無(wú)線(xiàn)路由器、藍(lán)牙通信，都是無(wú)線(xiàn)微波通信的應(yīng)用成果。通信系統(tǒng)的不斷完善，對(duì)微波功率放大器提出了越來(lái)越高的要求，以Ge、Si為代表的第一代半導(dǎo)體和以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體都已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)功率放大器的高頻大功率要求，而以寬禁帶半導(dǎo)體GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料，以高的工作頻率、高的功率密度和高的功率附加效率等優(yōu)良特性成為微波功率器件和微波單片集成電路應(yīng)用的最重要選擇。

2、r>　　在此背景下，本文對(duì)AlGaN/GaN HEMT功率放大器進(jìn)行深入的研究，其中包括表征器件的電特性，建立器件的小信號(hào)和大信號(hào)模型，重點(diǎn)是對(duì)高效率和大功率的微波放大器的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了S波段和C波段的高效率、大功率GaN基固態(tài)放大器。本論文的主要研究成果如下：
　?、貯lGaN/GaN HEMT器件表征分析。深入地對(duì)1.25mm柵寬的AlGaN/GaN HEMT進(jìn)行了電特性表征分析，包括器件的輸出特性、轉(zhuǎn)移特性、肖特基特性、

3、擊穿特性、小信號(hào)S參數(shù)和大功率特性，全面地評(píng)價(jià)了器件在高頻大功率應(yīng)用方面的能力，并研究了器件的頻率特性隨著偏置條件的變化規(guī)律，確定了器件應(yīng)用時(shí)的最佳偏置點(diǎn)；
　?、诟倪M(jìn)EEHEMT模型并建立了一個(gè)新的HEMT器件模型。建立了一個(gè)新的19元件的小信號(hào)等效電路模型，利用測(cè)試表征時(shí)所測(cè)試的多偏置條件下的器件S參數(shù)，提取了器件的寄生參數(shù)和本征參數(shù)，對(duì)S參數(shù)的擬合獲得了很高的精度。同時(shí)，探究中發(fā)現(xiàn)了利用測(cè)得的器件轉(zhuǎn)移特性和小信號(hào)建模過(guò)程中提

4、取的器件寄生參數(shù)，代入Agilent公司的EEHEMT模型時(shí)，器件的輸出特性擬合精度較差。本文通過(guò)結(jié)合輸出特性測(cè)試結(jié)果和雙曲正切函數(shù)，引入了Kink電流項(xiàng)，使模型的輸出特性精度更高，并同時(shí)大大改善了功率附加效率的模擬精度；
　　③S波段高效大功率放大器的研究?；谧灾魃a(chǎn)的10mm柵寬AlGaN/GaN HEMT，利用所建立的器件模型，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了工作在1.8GHz~2.2GHz的AB類(lèi)功率放大器。為了提高放大器的功率附加效率，提

5、出了以微帶開(kāi)路短截線(xiàn)組成諧波抑制網(wǎng)絡(luò)，有效地抑制了器件的二次諧波，明顯改善了放大器的效率和線(xiàn)性度；為了實(shí)現(xiàn)放大器的寬頻帶設(shè)計(jì)，提出了一種多節(jié)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)方法，獲得了較為理想的帶寬。實(shí)現(xiàn)的GaN功率放大器在40V的偏置電壓下，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，脈沖輸出功率高于80W，功率附加效率在70％以上；在連續(xù)波模式下，輸出功率大于50W，功率附加效率高于60%；
　?、蹸波段內(nèi)匹配高效大功率放大器的實(shí)現(xiàn)。深入開(kāi)展了內(nèi)匹配方法的研究，通過(guò)模

6、型仿真得到器件的基頻和二次諧波頻率阻抗，在管殼內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了帶有諧波抑制電路的匹配網(wǎng)絡(luò)。為了盡可能地簡(jiǎn)化電路，在諧波抑制網(wǎng)絡(luò)中引入了基頻下的λ/4傳輸線(xiàn)，將器件的二次諧波短路，而對(duì)基頻形成開(kāi)路?；诒局攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的10mm柵寬的AlGaN/GaN HEMT功率芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了工作頻率為3.7GHz~4.2GHz，工作電壓為40V的C波段功率放大器。該放大器在脈沖工作模式下，放大器的輸出功率在100W以上，功率附加效率高于65%，功率增益

7、大于17dB，其中在4GHz下，放大器的飽和輸出功率達(dá)到107.4W，功率附加效率達(dá)到了72.1%，這是國(guó)際上 C波段100W量級(jí)放大器中的最高效率。同時(shí)，該放大器在連續(xù)波模式下，實(shí)現(xiàn)了放大器的輸出功率在60W以上，功率附加效率高于63%；
　?、軨波段合成內(nèi)匹配高效大功率放大器的研究。進(jìn)一步結(jié)合內(nèi)匹配技術(shù)和功率合成方法，對(duì)兩個(gè)10mm柵寬的AlGaN/GaN HEMT進(jìn)行芯片級(jí)的合成，盡可能地減小由于功率合成而引入的損耗。功率合

8、成電路利用Wilkinson功率分配器實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行功率合成的同時(shí)，也對(duì)器件的阻抗起到匹配作用。諧波抑制方法和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與單芯片內(nèi)匹配放大器相同。所設(shè)計(jì)的放大器工作于5.2GHz~5.8GHz，偏置條件為Vds=40V，Vgs=-2.4V。放大器的脈沖輸出功率達(dá)到155W以上，功率附加效率高于65%，功率增益高于12.9dB；在5.6GHz處，放大器獲得了最大功率166W，功率附加效率為69.4%，功率增益13.2dB；在連續(xù)波模式下，