第５０卷第１期 ２０１７年１月 通信技术 Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１＿５０ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１７ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—０８０２．２０１７．０１．０３０ 基于ＧａＮ的宽带功率放大器的仿真 吴治霖，周伟中 （中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都６１００４１） 摘要：在现代无线通信系统中，系统对功率放大器的功率输出、效率、工作带宽等技术指标的 要求愈来愈高。因此，宽带功率放大器的研究变得十分有意义。新一代半导体材料Ｇ Ｎ，较ｓｉ、 ＧａＡｓ等材料，具有禁带宽、击穿场强高、热稳定性优异等特性，在宽带功率放大器的设计中被广 泛使用。因此，基于Ｐｌｏｙｆｅｔ公司的ＧＸ３４４２，利用Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｏｆｉｆｃｅ软件，仿真了一款０．２～１．６ ＧＨｚ 的末级宽带功率放大器，其输出功率大于４９ ｄＢｍ，效率可达５５％ 关键词：宽带功率放大器；ＧａＮ；Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｏｍｃｅ；高效率 中图分类号：ＴＮ７２２．７５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—０８０２（２０１７）一０１—０１７１—０５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｉｅｒ ｆｂａｓｅｄ ｏｎ ＧａＮ ＷＵ Ｚｈｉ—ｌｉｎ．ＺＨＯＵ Ｗｅｉ—ｚｈｏｎｇ （Ｎ０．３０ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００４１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｍｏｄｅｒｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｅｖｅｎ ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｇｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ，ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ．Ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｂｅｃｏｍｅｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．ＧａＮ，ａｓ ｔｈｅ ｎｅｗ—ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ。ｈａｓ ｍｕｃｈ ｗｉｄｅｒ ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｈｉｇｈｅｒ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ，ｍｏｒｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｔｈａｎ Ｓｉ ａｎｄ ＧａＡｓ，ａｎｄ ｔｈｕｓ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｉｅｒ ｄｅｓｉｇｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＸ３４４２ ｆｒｏｍ Ｐｌｏｙｆｅｔ ａｎｄ ｗｉｔｈ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｆｏｆｆｉｃｅ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ａ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ＰＡ ｉＳ ｄｏｎｅ，ｔｈｉｓ ＰＡ ｃｏｕｌｄ ｗｏｒｋ ａｔ ０．２ ＧＨｚ ｔｏ １．６ ＧＨｚ．ｗｉｔｈ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ４９ ｄＢｍ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ５５％． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ；ＧａＮ；Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｏｆｉｃｅ；ｈｉｆｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ０引 目 功率放大器是无线通信系统中必不可少的部分， 它的性能决定了整个系统信息传输的品质。民用、 军事通信已不满足于传统语音信息的交互，高清图 像、 战场态势等情报数据实时交互迫切需要功率放 大器 能提供更大的带宽、更高的效率与输出功率。 因此，宽带功率放大器的设计成为从业者们关注的 焦点。 和美国国防部意识到下一代电子战系统、ＡＥＳＡ雷达 及通信系统仅仅依靠ＧａＡｓ ＭＭＩＣ提供的能力是不足 的，遂大力推动ＧａＮ技术的研究与发展。 ＧａＮ是一种具有较大宽带禁带宽度、高稳定的 材料，将使电子设备在性能、体积、功耗等方面得 到极大优化，见表１。 表１材料性能比较 １ ＧａＮ简介 正如砷化镓（ＧａＡｓ）的发展历程一样，ＤＡＰＡＲ 收稿日期：２０１６—０９—０５；修回日期：２０１６—１２—０９ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２０１６—０９—０５；Ｒｅｖｉｓｅｄ ｄａｔｅ：２０１６—１２—０９ ・１ ７１・ 通信技术 从卜 的材料性能对比来看，ＧａＮ具有优良 ２００ｏ 的频率、电 、温度、功率密度等特性。目前，美 罔的雷， 公司、潇格公闭、Ｑｏｒｗ＞等公司的产品已 经达到制造成熟度８级，进人低速初始生产阶段。 １５００ 图１为［】前在军事防御领域ＧａＮ产品的供应商及其 产＾『１所ｒ【ｉ比例情况．． 磅１０００ 删 ５００ ３栅极电 电流 线 结合图２、 流４７０ ｍＡ。 ３，本文根据器件的使胴说明， 将其偏置在漏极电压４８ Ｖ，栅极电压一２．５ Ｖ，电 ２．２稳定性分析 １ 事防御使Ｈ】符厂家产 比例 为避免放大器电路在部分频率点或负载条件下 产生振荡自激，电路必须在工作的频率范围内具有 绝对稳定性。 本文基于Ｐｌｏｙｆｅｔ公司的提供的ＧＸ３４４２资料， 利用Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ（ ｒＰ进行仿真设计。 稳定性南品体管端［１的ｓ参数和偏置条件共同 决定，可以【十１稳定因子 ： ２宽带功率放大器的仿真 功率放大 是一种将直流功率转换为高频功率 的器件，可以根据导通角、器件 作的电压与电流 波形等 Ｉ特性对其进行分类、按照导通角（２０）， 可以分为Ａ类、ＡＢ类、Ｂ类和Ｃ类；按照］－作电 压与电流波形，可以分为Ｄ类、Ｅ类、Ｆ类等开关 类功率放大器１２－３１。 ２．１直流特性分析 表示： ＞ｌ ２ｌ １ ２Ｉ ｌ ２ｌ ｌ其中△：．ｓＴｌ１ ｌ ２一 １ ２ ｌ。 ． 提高稳定性的措施主要有三种：一是在栅极串 联电阻；二是输入端串联或者并联电阻； 是采川 反馈电路结构。本文采用在栅极串联电阻的方式实 现。采用稳定性措施前后的稳定性分析曲线如图４ 所示，放大器在Ｔ作频率范围内 值均满足绝对稳 定要求。 ３ 功率器件的静态＿ｒ作点决定了放大器的］二作状 态，进而直接影响功率放大器的各项性能 ．因此，合 理的偏置电 是实现功率放大器高性能工作的关键。 罔２为漏极电压电流曲线，图３为栅极电压电 流ｆ｛｛１线 、 ２．５ ２ 因 １．５ 霏 １ ＾ ＾ ＾ ＾ ＾ ＾ ＾ ，—— ————— ————＊ 瑶 ＾ Ｂ ０．５ ＾ — ————— ＾ ＾啦 ＾ ＾ ＾ ＾ 一０ 一一 ．．７ＯＯ 瞄频率删Ｈ １２００ 一一 ’７∞ — ————— ———— ——岳———矗———矗一 甚 ———垂 —— △一 — ．．．—． ——．■ｐ１ｋ一：： ＾ ＾ ＾ ＾ Ｉ 懿 ～一＿ ：： ＾ ＾ ＾ ２ＯＯ Ｉ纠４稳定性 ｆ－ＨＩｌ线 ——— 扣 Ａ～三 三盒三三盎二 １ ｉ薯＃＃ 三 ———笠二 ２．３增益的平坦度考虑 １０ 为在增益、带宽的乘积是常数的下，增益 漏枞电一点， ２漏极电压电流曲线 １ ７２・ 会随着频率的增加而减小， 约以６ ｄＢ每倍频程 ・第５０卷 吴治霖，周伟中：基于ＧａＮ的宽带功率放大器的仿真 第１期 的规律下降，而 ：则以同样的速度在上升＿５］， Ｉ平坦度较补偿前有极大的提高。 负反馈电路不仅改善了放大器的增益平坦度， 同时拓展了工作带宽，还可有效改善端口阻抗匹配 情况，减小匹配网络的设计难度【６】。 ２．４宽带匹配设计 的增加将进一步降低系统的整体增益，并使放大器 进人振荡状态。为保持正反向增益在工作范围内较 小幅度地变化，有必要采取一定的补偿措施。 负反馈是一种常用的频率补偿网络，在得到平 坦的增益响应时，也能降低端口的反射系数，提高 功率的传输效率。小信号条件下的仿真结果如图５ 所示。 ７当放大器工作于大信号条件下时，常通过大信 号ｓ参数及负载牵引法等方法，实现最大增益、效 率的阻抗匹配。但是，对于宽带功率放大器， 的 频率响应特性会造成带内增益平坦度差，窄带匹配 －＂－～ 、、 ■・－＿＿＿・＿一 ｜…一 设计思路已不能满足宽带设计的要求［７－８］。 为解决放大器的宽带特性，研究者们总结出了 分布式、平衡式、反馈型、有耗匹配等多种宽带匹 １７００ＭＨｚｌ ／ 『 ＼ ＿－ Ａ １４ ７３ ｄＢ＿ 配结构 。本文采用负反馈电路结构来实现宽带匹配。 本文的设计基于厚度为０．５ ｍｍ的Ｒｏｇｅｒｓ４３５０， 介电常数为４．３，覆铜厚度为３ ｍｉｌ的基片。由于 ￡Ａ 日／ Ｐｏｌｙｆｅｔ公司提供的器件并没有提供器件的端口阻抗 Ｉ７００ ２００ ７００ １２００ 频率／ＭＨｚ 图５增益平坦度曲线 参数，在仿真时依据厂商提供的示例电路，对传输 路径上的集总、分布参数元件进行多次优化后，获 得输入匹配电路，如图６所示。 输出匹配电路主要为优化功率放大器的输出功 率和效率，其电路拓扑如图７所示。 在采取负反馈补偿前，高端增益远远小于低端 增益，增益平坦度差；在采用负反馈补偿后，增益 图６输入匹配电路 图７输出匹配电路 ・１ ７３・ 通信技术 为提高输出功率的平坦度，在负反馈结构中增 仿真后的放大器的ｌａｙｏｕｔ如图８所示。 加了电感、阻容单元，以提高特定频率的响应。最终， ＣＡＰ ＩＤ＝Ｃ４ Ｃ＝０．３ ｐＦ 图８整体电路 ２．５仿真结果 平坦度优于±２ ｄＢ。 ６。 ０ｔ ｐｗｒ＝３０ｄＢｍ ｐ＇Ｚ ｐｗｒ＝３２ ｄＢｍ 设置频率为２００～１ ７００ ＭＨｚ，输人功率为 ３０～４０ ｄＢｍ，以２ ｄＢ步进的方式分别进行频率、 功率扫描的方式，其仿真结果如图９、图ｌ０所示。 一一 、＼ ５。 ／吨 ｐ３ Ｐ ｔ ３４ｄＢｍ醇 ｚ∞ａＢｍ ２ ／ ４。 ≯ ＼、 、＼ 雌 ３ ８ｄ日ｒＴ ４１０ｄ卧 ｌ∥ ＾ ｎ＼＼ 、各～～ 一 【日一 §ｍ一 ５（ ０１８ＭＨｚ￣ ，— 、 ／ ， 丑 ［箍‘、 旦 丑二＝＿ ．＿．． 。。 、 、 、¨ — 、＆ 、 ＼，，也 、Ａ２。 ～ ｒ—七一 一、 。ｄ 、 、、＾ 、＆ 、、 ３ 一＼、氐 ～ ｔ ， ～ ～一 １０ ２００ 一 ７００ １２００ １７００ 频率／ＭＨｚ 、△、＼ ＺＵＵ ～０～ ，ＵＵ 芝～仑～ 一 图１Ｏ效率与频率曲线 一 如图１０的效率曲线所示，在饱和输出条件下， 效率最高可达５５％，符合设计预期。 ＩＺＵＵ １，ＵＵ 频率ＩＭＨｚ 图９输入、输出功率 从图９的输入、输出功率曲线可见，该功率放 ３结语 大器的最小输出接近５０ ｄＢｍ，最大差值为２ ｄＢ； 大功率条件下，增益（输出功率与输人功率的差值） 通过仿真优化，功率放大器在工作频率范围内 输出功率大于４９ ｄＢｍ，效率最高可达５５％，大功率 ・１ ７４・ 第５０卷 吴治霖，周伟中：基于ＧａＮ的宽带功率放大器的仿真 第１期 下的增益平坦度±２ ｄＢ。下一步将分析集总参数元 件的寄生参数对放大器的频率响应的影响，提高放 大器的增益平坦度，以解决部分频点效率低等问题。 参考文献： 【１】ＷＥＢＥＲ Ｒ Ｊ．微波电路引论一射频与应用设计［Ｍ］． 朱建清，译．北京：电子工业出版社，２００５：１３９—１６５． ＷＥＢＥＲ Ｒ Ｊ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ—Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．ＺＨＵ Ｊｉａｎ－ ｑｉｎｇ，ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ．２００５：１３９—１６５． ［２】Ａｎｄｒｅｉ Ｇｒｅｂｅｎｎｉｋｏｖ．射频与微波放大器设计［Ｍ］．张 玉兴，译．北京：电子工业出版社，２００６：１４４—１６６． ＡｎｄｒｅｉＧｒｅｂｅｎｎｉｋｏｖ．ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＲａｄｉｏａｎｄＭｉｃｒｏｗａｖｅＰｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｉｆｅｒ［Ｍ］．ＺＨＡＮＧ Ｙｕ－ｘｉｎｇ，ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ．ＢｅｉｊｉｎｇＰｕｂｈｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２００６：１４４－１６６． ［３ Ｄａｖｉ３］ｄＭＰｏｚａｒ．微波工程［Ｍ］．３版．张肇仪，译．北京： 电子工业出版社，２００６：４６０—４９１． Ｄａｖｉｄ Ｍ Ｐｏｚａｒ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］．Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ． ＺＨＡＮＧ Ｚｈａｏ－ｙｉ，ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２００６：４６０－４９ １． ［４ Ｒｅｉ４Ｊｎｈｏｌｄ Ｌｕｄｗｉｎｇ．射频电路设计一理论与应用［Ｍ］． 北京：电子工业出版社，２００２：３１４—３１８． Ｒｅｉｎｈｏｌｄ Ｌｕｄｗｉｎｇ．ＲＦ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ：Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２００２：３１４—３１８． ［５】 曹盼．Ｌ波段宽带功率放大器的设计与实现［Ｄ】．邯郸： 河北工程大学，２０１４． ＣＡＯ Ｐａｎ．Ｔｈｅ Ｌ—ｂａｎｄ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｄ］．Ｈａｎｄａｎ：ＨｅＢｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４． ［６］Ｒｏｗａｎ Ｇｉｌｍｏｒｅ．现代无线系统射频电路实用设计一 卷Ⅱ有源电路与系统【Ｍ】．杨芳，等译．北京：电子工 业出版社，２００６：８８—１００． Ｒｏｗａｎ Ｇｉｌｍｏｒｅ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ ＲＦ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ Ｆｏｒ Ｍｏｄｅｍ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ—ＶｏｌｕｍｅⅡ：Ａｃｔｉｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］． ＹＡＮＧ Ｆａｎｇ（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ），ｅｔ １ａ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｐｕｂ１ｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２００６：８８－１００． ［７］龚敏强，刘光祜．宽带功率放大器的设计［Ｊ］．现代电 子技术，２００９，２４（１ １）：１０４—１０６． ＧＯＮＧ Ｍｉｎ—ｑｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｇｕａｎｇ－ｈｕ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂｒｏａｄ－ ｂａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ［Ｊ］．Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ， ２００９，２４（１ １）：１０４－１０６． ｆ８ 翟羽．８］１００－４００ ＭＨｚ宽带功率放大器的设计与实现［Ｄ】． 武汉：华中科技大学，２０１１． ＺＨＡＩ Ｙｕ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｔ １００—— ４００ ＭＨｚ［Ｄ］．Ｗｕｈａｎ：Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１ １． ［９］李成龙．超宽带ＧａＮ ＨＥＭＴ功率放大器研究［Ｄ】．杭 卅ｌ：杭州电子科技大学，２０１３． ＬＩ Ｃｈｅｎｇ－ｌｏｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｕｌｔｒａ－ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｉｆｅｒｕｓｉｎｇ ＧａＮ ＨＥＭＴ［Ｄ］．Ｈａｎｇｚｈｏｕ：Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｄｉａｎｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１３． 作者简介： 吴治霖（１９８５～），男，硕士，工程师， 主要研究方向为微波射频电路； 周伟中（１９８２一），男，硕士，工程师， 主要研究方向为微波射频电路。 ・１７５・
