一种基于GaN的0.5-4GHz高效率宽带功率放大器设计

宽带大功率微波功率放大器在通信发射机的应用越来越多,具有高击穿场强和高功率密度的优点的第三代半导体GaN技术越来越适用于宽带功率放大器的应用。本文基于GaN功率管的大信号仿真模型,采用宽带匹配技术进行功率管的匹配电路设计。通过ADS软件仿真和优化,设计了一款工作在0.5-4GHz宽频带范围的功率放大器。仿真结果显示,在0.5-4GHz内,功率附加效率(Power added efficiency, PAE)超过60%,增益大于11dB,增益平坦度为±1.5dB,且端口驻波性能良好,满足了发射机系统的要求。     

26GHz变容管调谐体效应振荡器

本文给出一种微带波导型变容二极管调谐体效应振荡器设计过程。采用国产器件制作了三只中心频率为25.7GH_z的电调振荡器:在大于500MH_z电调范围内,输出功率均大于120mw 0.5dB,且具有小于0.5dB的功率平坦度、良好的频谱质量及电调线性度。目前已用于26GH_2锁相源系统。实际使用表明:该振荡器结构可靠,性能优良。     

6～18GHz宽带功率放大器模块

研究了ＧａＡｓ功率ＭＥＳＦＥＴ的小信号特性，大信号特性和其宽带匹配网络。选用ＴＷＴ－２型功率器件，设计研制出了单级宽带功率放大器，在６～１８ＧＨｚ的工作频率范围内，小信号增益等于５．０±１．０ｄＢ，１ｄＢ压缩输出功率等于２５．０±０．８ｄＢｍ，输入输出驻波比小于２．５。     

6～18GHz宽带功率放大器模块

研究了ＧａＡｓ功率ＭＥＳＦＥＴ的小信号特性、大信号特性和其宽带匹配网络。选用ＴＷＴ－２型功率器件，设计研制出了单级宽带功率放大器。在６～１８ＧＨｚ的工作频率范围内，小信号增益等于５．０±１．０ｄＢ，１ｄＢ压缩输出功率等于２５．０±０．８ｄＢｍ，输入输出驻波比小于２．５。     

1～2GHz宽带GaN功率放大器的设计与实现

针对GaN HEMT的自身特性,采用电抗匹配放大器结构,基于ADS谐波平衡仿真软件,设计了一个1～2 GHz宽带功率放大器.设计采用Cree公司提供的CGH400系列GaNHEMT大信号模型,并用混合集成电路工艺实现了功率放大器.测试结果显示,功率放大器在1～2 GHz频带内,饱和输出功率大于40.2 dBm,小信号增益大于14 dB,最大PAE大于70％.     

变容管调谐微带环形谐振器带通滤波器的研究

本文研究了变容管调谐的微带环形谐振器带通滤波器。给出了微带环形谐振器的谐振特性和两环形谐振器间的耦合特性。制作了二级变容管调谐微带环形谐振器的带通滤波器，实验结果和理论吻合较好。     

基于钛酸锶钡变容管的可调匹配网络

采用钛酸锶钡(BST)薄膜变容管作为可调电容元件,在LaAlO3基片上采用微细加工技术制备了共面波导结构的C-L-Cπ型可调匹配网络。仿真及测试结果表明,通过在BST薄膜变容管上施加直流偏置电压对BST变容管的电容进行调节,可以在740～770 MHz频率范围内,实现该匹配网络与终端负载之间良好的阻抗匹配。其中,在760 MHz时测得的匹配网络的反射系数S11达到–45.8 dB。     

基于最优匹配网络的宽带功率放大器设计

针对宽带功率放大器的需求,以及传统匹配网络只能用于实现窄带设计的现状,在匹配网络研究的基础上,提出了一种可行的、有效的宽带功率放大器匹配网络的设计方法。基于该方法,对最优匹配网络算法进行Matlab建模,并利用ADS软件进行了仿真和优化,实现了1~2.8 GHz宽带功率放大器。对设计的宽带功率放大器进行测试,结果表明,在1~2.8 GHz宽频带范围内,增益为27 dB,平坦度为±1 dB,输入回波损耗小于－10 dB,匹配性能明显优于其他类型的拓扑结构。该方法对于设计宽带功率放大器具有良好的应用价值。     

2~4 GHz宽带高效率功放的设计

针对宽带高效率功放的设计要求,基于宽带匹配网络设计了一款GaN宽带高效率功率放大器,其工作频率覆盖整个S波段。仿真结果显示,该功放在整个S频段内漏极效率(DE)大于62%,功率附加效率(PAE)大于57%,增益大于10.6 dB。实测结果表明,该功放在整个频段内DE大于54%,PAE大于48%,增益大于9 dB,增益平坦度在1 dB以内,实现了S波段高效率宽带功率放大器的设计。     

基于GaN HEMT的1.5～3.5GHz宽带平衡功率放大器设计

阐述了基于GaN HEMT的宽带平衡功率放大器的设计与实现方法:采用Lange耦合器构建平衡功率放大器结构,采用多节阻抗匹配技术设计输入/输出匹配网络,实现功放宽带特性(1.5～3.5GHz);采用与Si热膨胀系数接近的AlSiC散热载片,克服管芯与载片热稳定系数不同引起的热稳定问题,并采用脉冲工作模式进一步减小功放发热量.制作实际功放模块用于测试,在1.5～3.5GHz频带内,功放线性增益大于12dB,增益平坦度为±0.4dB,饱和输出功率大于8W,漏极效率为56%～65%.实验测试结果与设计仿真结果有较好一致性,验证了设计方法的正确性.     

一种高增益且可调谐的1~3 GHz宽带LNA

提出了一种增益高且增益可调谐的1~3 GHz宽带低噪声放大器(HTG-LNA)。在输入级,采用带有RC串联负反馈的共基-共射电流镜结构,实现了良好的输入匹配,并提高了电路的稳定性;在中间级,采用以有源电感作为负载的共基-共射达林顿电路结构,在保证宽带的同时实现了较高的增益与增益的可调谐;在输出级,采用带有电流镜的射极跟随器结构,获得了较大的输出功率和良好的输出匹配。基于稳懋0.2 μm GaAs HBT工艺进行验证,结果表明,该HTG-LNA的电压增益大于37 dB,最高可达50.7 dB;功率增益大于37.4 dB,最高可达51 dB;最大增益可调谐幅度为2.2 dB;输入回波损耗小于-7.11 dB;输出回波损耗小于-11.97 dB;噪声系数小于3.23 dB;稳定因子大于5.61;在5 V工作电压下,静态功耗小于65 mW。     

基于GaN HEMT的0.8～4 GHz宽带平衡功率放大器

基于GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)技术,研制了在0.8 ～4 GHz频率下,输出功率大于50 W的宽带平衡式功率放大器.采用3 dB耦合器电桥构建平衡式功率放大器结构;采用多节阻抗匹配技术设计了输入/输出匹配网络,实现了功率放大器的宽带特性;采用高介电常数Al2O3基材实现了小型化功率放大器单元;采用热膨胀系数与SiC接近的铜-钼-铜载板作为GaN HEMT管芯共晶载体,防止功率管芯高温工作过程中因为热膨胀而烧毁.测试结果表明,在0.8～4 GHz频带内,功率放大器功率增益大于6.4 dB,增益平坦度为±1.5 dB,饱和输出功率值大于58.2W,漏极效率为41％ ～62％.     

一种2~19 GHz分布式功率放大器

对T型匹配网络构成的人工传输线的阻抗匹配特性进行了讨论,在此基础上,采用0.18 μm CMOS工艺,设计了一种宽带分布式功率放大器。设计中,通过减小栅极人工传输线的吸收负载,在放大器输入端获得了良好的阻抗匹配;通过在放大器输出端增加1个L型阻抗匹配网络,实现了输出端阻抗匹配,同时有效提升了分布式放大器的增益和输出功率。仿真结果显示,该放大器3 dB带宽达到17 GHz,2～18 GHz频率范围内,增益为10.5 dB,带内增益平坦度为±0.5 dB,输出功率为4.9~9.85 dBm,PAE效率为5%~15.6%,表现出良好的综合性能。     

6-18GHz高增益宽带限幅放大器

本文介绍了一种具有高输出信噪比和温度补偿功能的高增益宽带限幅放大器的设计方法。该放大器由多片PHEMT工艺制作的单片集成电路构成,其主要特点是可在6～18GHz频率范围内、满足高输出信噪比的要求下实现对-60～-7dBm输入信号的限幅功能,并在-40～70℃的温度范围内提供稳定的增益输出,输出功率为13～17dBm,噪声系数小于4dB。     

高精度宽带数字控制可变增益放大器的设计

设计了一种高精度宽带数字控制可变增益放大器,利用增益加强技术改进可变增益放大器的步进精度;同时,引入零点抵消技术,并加入源极负反馈电容,在不增加额外功耗的条件下,拓展了带宽。该电路采用0.18μm CMOS工艺,1.8V供电电源,增益动态范围为62dB,步进精度为1dB,步进误差为0.2dB。设计的可变增益放大器可以提供高达80MHz的带宽,整个电路消耗1.5mA电流,芯片尺寸为300μm×800μm。     

基于GaN工艺的3.3～3.6 GHz Doherty功率放大器MMIC设计北大核心

基于GaN工艺设计了一款饱和输出功率为44 dBm、功率回退为9 dB的非对称Doherty功率放大器。为了提高增益，在Doherty功率放大器前方增加驱动级。通过对主放大器的输出匹配电路进行阻抗匹配优化设计，去掉λ/4阻抗变换线；辅助功放输出阻抗采用RC网络等效代替，控制输出匹配电路相位为0°,确保关断时为高阻状态；合路点的最佳阻抗直接选取50Ω,从而去掉λ/4阻抗变换线。芯片仿真结果表明，在3.3～3.6 GHz时，Doherty功率放大器的饱和输出功率达到44 dBm以上，功率增益达到25 dB以上，功率附加效率(PAE)达到50%以上；功率回退为9 dB时，PAE达到34.7%以上。Doherty功率放大器的版图尺寸为3.4 mm*3.3 mm,驱动级功率放大器的版图尺寸为1.5 mm*1.7 mm。     

GaAs HBT功率放大器在5 GHz无线局域网的应用

采用2μm GaAs HBT技术实现了单片集成线性功率放大器(PA)在5 GHz无线局域网中的应用.在单端三级功率放大器中应用片上电感和键合线电感对输入,级间网络进行匹配设计,输出匹配网络在PCB上实现.在单独供电3.3 V的情况下,功率放大器的仿真结果是线性输出功率24 dB(1 dB压缩点),小信号增益35 dB,1 dB压缩点处功率附加效率(PAE)39%;GaAsHBT MMIC功率放大器测试呈现线性输出功率20.5 dB(1 dB压缩点),4、信号增益27 dB,1 dB压缩点处功率附加效率(PAE)36%;芯片尺寸仅480 μm×450 μm.     

一种高效率2.4 GHz CMOS E类功率放大器

基于IBM SOI 0.18 μm CMOS工艺,设计了一种高功率附加效率(PAE)的E类功率放大器,由驱动级和输出级两级构成。驱动级采用E类结构,使输出级能更好地实现开与关。输出级采用电感谐振寄生电容,提高了效率。输出级的共栅管采用自偏置的方式,防止晶体管被击穿。两级之间使用了改善输出级电压和电流交叠的网络。仿真结果表明,在2.8 V电源电压下,工作频率为2.4 GHz时,功率放大器的输出功率为23.17 dBm,PAE为57.7%。     

基于GaAs PHEMT工艺的60~90GHz功率放大器MMIC

研制了一款60~90 GHz功率放大器单片微波集成电路(MMIC),该MMIC采用平衡式放大结构,在较宽的频带内获得了平坦的增益、较高的输出功率及良好的输入输出驻波比(VSWR)。采用GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)标准工艺进行了流片,在片测试结果表明,在栅极电压为-0.3 V、漏极电压为+3 V、频率为60~90 GHz时,功率放大器MMIC的小信号增益大于13 dB,在71~76 GHz和81~86 GHz典型应用频段,功率放大器的小信号增益均大于15 dB。载体测试结果表明,栅极电压为-0.3 V、漏极电压为+3 V、频率为60~90 GHz时,该功率放大器MMIC饱和输出功率大于17.5 dBm,在71~76 GHz和81~86 GHz典型应用频段,其饱和输出功率可达到20 dBm。该功率放大器MMIC尺寸为5.25 mm×2.10 mm。