摘要
功率放大器作为无线通信、雷达、测量等领域的核心器件，已经在军民领域得到广泛的应用，其增益、功率、效率等性能对整个系统信号传输具有重要的影响。随着现代电子通信系统的发展，对信息传输量以及传输速率的需求不断扩张，研制具有小体积、宽频带、高输出功率的放大器具有极其重要的意义。单片微波集成电路（Monolithic microwave integrated circuit，MMIC）具有结构紧凑、高集成度、稳定性高、一致性好、成本较低等优势，成为面向上述领域应用研制功率放大器的很好的选择。同时，针对高电压、大功率、高可靠性应用需求，氮化镓(Gallium Nitride，GaN)材料脱颖而出，作为第三代半导体材料的典型代表，氮化镓具有更小的寄生参数、宽禁带、高击穿电压、高电子迁移率、耐高温等特点，非常适合制作宽带高功率放大器。 本文针对上述应用需求，在充分调研国内外宽带功率放大器发展现状的基础上，系统的介绍了功率放大器的相关理论基础。对宽带放大器的设计方法与技术进行了分析与总结，探究了不同形式的功放架构适用的范围。同时对功率放大器的设计流程进行了详细的介绍与总结。针对宽带MMIC功率放大器的实际需求，根据设计指标选择了相应的宽带拓扑结构，设计了两款宽带放大器。 本文设计的两款放大器分别为宽带驱动功率放大器和宽带高功率放大器，均采用0.25μm GaN pHEMT(Pseudo High Electron Mobility Transistor)工艺。该工艺具有特征频率高、耐压高、散热性能好等特点，非常适合从C波段到Ku波段的宽带高功率应用。针对该宽带驱动功率放大器，采用优化的反馈式结构，在提升高频性能的同时简化匹配，实现了增益和带宽以及芯片面积之间的平衡。同时，针对该驱动功放的设计需求，创新性的在GaN功放应用中设计了温度补偿偏置电路，以应对系统级应用中电流随温度变化不稳定的状况。测试结果表明，该宽带驱动放大器在6-20GHz频带内，实现了大于12.5dB的小信号增益，饱和输出功率26dBm，输入回波优于-10dB，OIP3带内高达35dBm。静态电流测试结果显示，该宽带驱动功放的电流变化范围为±5mA，该温补电路很好的实现了电流的稳定作用。该放大器通过精心设计的结构以及优化的布局，最终实现的芯片面积仅1.5×1.2mm2。测试结果满足设计指标要求，与同类型驱动放大器相比，相关性能指标具有一定优势。 针对宽带高功率放大器，结合指标需求以及工艺水平，该放大器采取功率合成的形式，基于电抗匹配拓扑结构实现最终的设计。在设计过程中，详细介绍了宽带高功率设计技术与方法，包括指标分析、结构选择、功率预算、稳定性分析等重要步骤。采取匹配网络与功率合成结构相结合的方式，以简化设计复杂度，保证带宽的同时降低匹配损耗。同时，针对大功率功放实际应用中无法回避的发热问题，进行了热力学仿真，以助于后续系统设计的优化。仿真结果表明，在8-18GHz频带范围内，芯片小信号增益大于22.5dB，饱和输出功率大于41.5dBm，功率附加效率大于21％。大信号状态下，功率增益约18dB，芯片尺寸为4×3.8mm2，各项指标均达到设计要求。热力学仿真结果表明，该宽带高功率放大器工作在饱和状态时，温度峰值出现在晶体管沟道处。功放最大温度为231℃，低于该工艺管芯可靠工作的极限温度，可以保证芯片正常工作。该功放在宽频带内具有较高的输出功率和效率，且尺寸也与同类型电路具有可比性，具有较为广阔的应用前景。
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