1、PAGE PAGE - 9 -基于GaNHEMT的S波段小型化內匹配功率管設計王曉龍張磊摘要：采用總柵寬36mm的0.5um工藝GaNHEMT功率管芯，通過合理選擇目標阻抗、優化匹配網絡，設計了一款包含扼流電路的S波段小型化內匹配功率管。在+48V、-3.1V工作電壓下，2.73.4GHz內，功率管輸出功率250W，功率增益12dB，功率附加效率60%，尺寸僅為15mm6.6mm1.5mm，重量僅為0.6g，顯示出卓越的性能，具有廣泛的工程應用前景。關鍵詞：功率管;GaN;內匹配;S波段;小型化中圖分類號：TN12文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0052-04Abs

2、tract：Usinga0.5umprocessGaNHEMTpowertubecorewithatotalgatewidthof36mm，anS-bandminiaturizedinternalmatchedpowertubeincludingchokecircuitisdesignedbyreasonablyselectingthetargetimpedanceandoptimizingthematchingnetwork.Undertheworkingvoltageof+48V，-3.1Vandwithin2.73.4GHz，theoutputpowerofpowertubeisgrea

3、terthanorequalto250W，thepowergainisgreaterthanorequalto12dB，thepoweraddedefficiencyisgreaterthanorequalto60%，andthesizeisonly15mm6.6mm1.5mm，weightisonly0.6g，showsexcellentperformanceandhasbroadengineeringapplicationprospectsKeywords：powertube;GaN;internalmatched;S-band;miniaturized0引言近年來，隨著相控陣雷達快速發展

4、、列裝以及民用5G無線通信網絡的建設，對微波功率器件的小型化、高效率提出了更高的要求。寬禁帶半導體GaN微波功率器件高耐壓、高功率密度、高效率的特性1-4，決定了GaN微波功率器件在相控陣雷達、無線通信等軍用和民用微波功率領域具有廣泛的應用前景5-7。內匹配功率管是指內部包含所有匹配電路，可直接同50系統級聯的功率管。相較于只在功率管內部做了部分匹配，外部需外加PCB匹配電路的預匹配功率管，內匹配功率管在尺寸和重量上有很大優勢。本文設計的內匹配功率管不僅包含輸入、輸出匹配電路，并且包含輸入、輸出扼流電路。在2.73.4GHz內，其帶內輸出功率250W，功率增益12db，功率附加效率60%，而體

5、積僅為15mm6.6mm1.5mm，重量僅為0.6g，顯示出很好的性能，工程應用前景廣泛。1管芯選擇本文選用0.5umHEMT工藝GaN功率管芯（由中國電子科技集團公司第十三研究所研制），圖1為0.5umHEMT工藝GaN功率管芯縱向結構示意圖。GaNHEMT器件利用AlGaN和GaN異質結形成的二維電子氣（2DEG），將電子遷移率提升至2000cm2/Vs以上，具有優異的射頻性能。本文選用的功率管芯采用SiC襯底。SiC襯底熱導率高，同GaN的晶格失配和熱膨脹系數失配較少，是目前使用最多的方案。本文選用6.23mm0.97mm的GaN功率管芯，其單指柵寬為450um，每胞10指，共8胞，總柵

6、寬36mm。在48V漏源電壓、S波段條件下，其功率密度為8W/mm，可以滿足輸出功率大于250W的要求。圖2是36mmGaN功率管芯的版圖。2功率管設計2.1目標阻抗選取選定合適的目標阻抗是功率管設計中的關鍵一步，直接決定了功率管的最終性能。使用諧波平衡仿真器，利用器件的大信號模型，對器件進行源牽引和負載牽引仿真。如表1所示，器件最大功率阻抗和最佳效率阻抗隨頻率變化并不大，故以中心頻率3.05GHz為典型頻率進行阻抗點選取。實際仿真時，設置器件柵壓-3.1V，漏壓+48V，輸入功率42dBm，工作頻率3.05GHz。源牽引結果如圖3，可以看到，最大功率阻抗和最佳效率阻抗基本重合，其最大功率阻抗

7、為0.4+j0.7，最佳效率阻抗為0.98+j0.2。負載牽引結果如圖4，可以看到，最大輸出功率為55.7dBm，其對應阻抗為2.37+j1.28;最高功率附加效率為75.0%，其對應阻抗為1.72+j3.22。選取1.0+j0.68為目標源阻抗，折中選擇2.25+j2.3為目標負載阻抗，開展后續設計，對應增益13.1db、輸出功率55.1dBm、功率附加效率68.2%。2.2匹配網絡設計功率管設計的主要工作是設計匹配網絡將50匹配到目標阻抗。雖然本文采用單管芯方案，但單只GaN功率管芯的長度達到6.23mm，按照最常用的氧化鋁陶瓷基片9.9的介電常數計算，6.23mm，3.4GHz對應電長度

8、為69.5，功率管設計過程中仍需考慮功率合成的問題。除了尺寸問題，引入兼具阻抗變化功能的功分匹配網絡還能拓展匹配電路帶寬，故本文的匹配電路包含兩部分：一是在陶瓷基板上實現的功分匹配網絡，其兼具阻抗變換功能;二是功率管芯和厘米器之間，由鍵合金絲和單層電容組成的T型匹配網絡。圖5是本文所采用的匹配網絡結構示意圖。功率管芯可以視為多個管芯單胞的并聯，功率管輸出功率越大，需要的功率管芯胞數越多，其對應最佳阻抗越低，匹配電路阻抗變換比越大，設計難度越高。為了實現小型化，本文功分匹配網絡采用了先功率合成，再阻抗變換的結構。相較于傳統功分匹配網絡9，將1/4波長阻抗變換線根數由兩根精簡為一根，雖然阻抗變換線

9、寬度會相應變寬，但一根阻抗變換線布局更靈活，圖6是兩種功分匹配網絡的對比圖。經過平面功分器之后，源阻抗被變換到9.7-j16.8，負載阻抗被變換到7.4+j0.5，T型匹配網絡繼續將阻抗匹配到目標阻抗。T型網絡中的電感由鍵合金絲實現，具有Q值高和方便調試的優點。2.3扼流電路設計功率管功分匹配網絡中只有一根1/4波長阻抗變化線，布局靈活，使功率管中有足夠空間包含輸入輸出扼流電路。為了減小扼流線對匹配的影響，扼流線寬度盡量窄，以提高額流線的特性阻抗。輸出功率大于100W的S波段內匹配功率管一般采用管殼封裝10，11，尺寸21.4mm17.5mm5mm，并且需要外接扼流電路。內部集成扼流電路，使本

10、文所設計功率管的小型化優勢在實際使用時更加明顯。3研制結果3.1功率管制備功率管平面功分器采用厚度為0.254mm的氧化鋁陶瓷實現。為了保證散熱，GaN功率芯片以及輸出側隔直電容、扼流電容均使用金錫焊料共晶焊接在0.5mm厚鉬銅載片上，其他元器件使用導電膠粘接。如圖7為產品照片，產品尺寸15mm6.6mm1.5mm，重量0.6g。3.2微波性能在工作電壓48V、-3.1V，輸入功率42dBm，0.5ms/10ms占空比，常溫工作條件下，對功率管進行測試，測試結果如圖8。可以看到，功率管在2.73.4GHz范圍內輸出功率54.2dBm，增益波動小于0.34dB，頻帶內功率附加效率60%。表2為本

11、文所設計功率管同國內現有產品的指標對比，可以看到，與現有輸出功率大于100W的功率管相比，本文所設計功率管尺寸明顯更小;與同類型、同尺寸功率管相比，本文所設計功率管輸出功率更大，且帶寬更寬。3.3可靠性為評估功率管可靠性，將功率管焊接在鋁盒體內對其進行高低溫測試和高溫老練，圖9為高低溫測試盒照片。相較于常溫，85下，功率管輸出功率下降0.40.5dB;-55下，功率管輸出功率上漲0.30.4dB，且無自激現象。高低溫試驗后復測常溫，功率管指標未見明顯變化。85下，對功率管進行96小時射頻老練，恢復常溫后復測，功率管指標未見明顯變化。試驗結果表明，功率管可靠性滿足一般工程使用需求。4結論采用中國

12、電子科技集團公司第十三研究所研制的GaNHEMT，本文研制了一款48V工作，在2.73.4GHz輸出功率大于250W，自帶輸入、輸出扼流電流的內匹配功率管，并驗證了其可靠性。本文研制的功率管尺寸僅為15mm6.6mm1.5mm，重量僅為0.6g，性能卓越，具有非常廣闊的工程應用前景。參考文獻：1RUNTONDW，TRABERTB，SHEALYJB，etal.HistoryofGaN：High-PowerRFGalliumNitride（GaN）fromInfancytoManufacturableProcessandBeyondJ.IEEEMicrowaveMagazine，2022，14（3

13、）：82-93.2LEESY，JANGCO，HYUNGJH，etal.High-temperaturecharacteristicsofGaNnano-SchottkydiodesJ.PhysicaE：Low-dimensionalSystemsandNanostructures，2022，40（10）：3092-3096.3HIGUCHIT，NAKAGOMIS，KOKUBUNY.FieldeffecthydrogensensordevicewithsimplestructurebasedonGaNJ.SensorsandActuatorsB：Chemical，2022，140（1）：79-8

14、5.4WANGXL，CHENTS，XIAOHL，etal.Aninternally-matchedGaNHEMTsdevicewith45.2Wat8GHzforX-bandapplicationJ.Solid-StateElectronics，2022，53（3）：332-335.5蒙燕強.一種塔臺用高壓寬脈沖GaN功放設計與實現J.數字技術與應用，2022，36（1）：183-184+186.6郭立濤.一種L波段寬帶雙極化大功率T/R組件的設計與實現J.通訊世界，2022（2）：49-50.7郭慶.C波段GaNMMIC功率芯片在T/R組件中應用驗證J.微波學報，2022，36（S1）：179-182.8聞彰.微波GaNHEMT大信號模型參數提取研究D.成都：電子科技大學，