0 导言
新一代半导体功率器材主要有SiC场效应晶体管和GaN高电子迁移率晶体管。有别于第一代的Si双极型功率晶体管和第二代GaAs场效晶体管，新一代SiC和GaN半导体资料具有宽禁带、高击穿场强、高功率密度以及抗辐射能力强等长处，理论上特别合适运用于高频、高功率、抗辐射的功率器材的场合。由于具有这些长处，宽禁带半导体功率器材能够显着进步电子信息系统的功能，广泛运用于雷达、通讯、战斗机、海洋勘探等重要范畴。本文运用Agilent ADS仿真软件规划完成一款GaN宽带功率放大器，并对放大器进行了具体测验，验证了放大器在S波段2GHz带宽内的宽带功能。
1 规划方针
规划一款S波段宽带放大器，满意如下方针：
作业频率：S波段；
作业带宽：±1 000 MHz；
输出功率：≥44 dBm；
功率：≥30％。
2 宽带放大器规划
2．1 功率器材的挑选
为了在S波段2 GHz带宽内输出25 W的功率，对射频功率管有必定的要求：例如低的输出寄生电容、导通电阻等。常用的硅双极管由于单管胞输出功率有限，在高输出功事下，多管胞组成后的特性不能满意宽带规划要求。因而，具有较高功率密度、低导通电阻、低寄生电容、高输出阻抗的宽禁带器材是完成该规划的首选。
依据GaN器材的宽带功率放大器，国外揭露的报导现已完成了三代依据管芯的宽带功放研发。第一代功率放大器选用改善的行波放大器结构，带宽为1～8 GHz，小信号增益为7 dB，Vds=18 V时输出功率3．6 W；第二代功率放大器选用LCR匹配，并运用2个Wilkinson组成器完成4路组成，带宽3～10 GHz，小信号增益是7 dB，在8 GHz处最高输出功率可达8．5 W，功率附加功率到达20％；第三代功率放大器选用改善的2×2矩阵行波功率放大器结构，带宽1～6 GHz，输出功率7．5 W，功率附加功率到达25％。
但是由于宽禁带固态器材现在还处于敏捷开展阶段，且在军事及航空航天范畴的运用潜力，导致高频、大功率、管芯等器材还处于禁运状况，因而该规划运用的宽禁带功率管为答应对国内出售的货架产品。经归纳比较，选定的器材方针如表1所示。
2．2 ADS射频仿真
经典的宽带匹配理论由H·W·Bode发表于1945年，他运用环路积分的办法对RC并联负载计算了匹配网络的增益带宽积，证明其小于等于一个常数。这以后R·M·Fano，D·C·Youla等人进一步开展了宽带匹配理论。但是，在工程运用规划中，规划一个宽带功率放大器，需求在宽带匹配理论的基础上，统筹其拓扑结构、宽带匹配网络和宽带偏置网络等；因而，该规划将依据功率匹配的概念，使用大信号下的输入／输出阻抗、准确的非线性模型、谐波平衡仿真、负载牵引仿真规划等，完成方针频段的射频功能。
在仿真规划进程中，单节拓扑结构电路因其自身Q值较高，匹配的频率规模窄，只要在窄频规模内匹配较好，不能用于宽带匹配。因而，只能使用结构杂乱的多节拓扑结构电路进行匹配，并使用负反馈技能进步稳定性和拓宽带宽。多节匹配电路的特色相对于单节电路结构杂乱，占用几许空间大，可控变量多，仿真剖析需求更多时刻，但其长处是能够在更宽的带宽中寻求更好的匹配规划。
在多支节匹配网络中，输入端各有多段微带线，每个微带线有长度和宽度两个变量，这样在输入端和输出端都有多个可控变量，进行ADS优化仿真规划。在阻抗匹配电路的设计时，实践上是经过共轭匹配即将匹配的器材的端口逐步匹配到50 Ω的特性阻抗上。又由于一般器材的输入／输出阻抗在射频频段内是跟着频率的改变而改变的，所以在用散布参数进行电路匹配时，不可能在所要求的频段内到达彻底的匹配，在宽带要求的情况下，愈加难以完成。
因而，只能选用一些拓扑结构方式，规划出契合方针的匹配电路，才能够将输入／输出阻抗匹配到50 Ω的特性阻抗上。
构建的匹配电路仿真模型如图1所示。
在电路的仿真规划中，对功率管进行静态作业点设置、稳定性剖析后，使用负载牵引仿真，确认输出阻抗，再使用原牵引仿真确认输入阻抗。在统筹功率及功率的情况下，考虑实践馈电电路的影响后，对规划好的宽带匹配电路进行大信号S参数、谐波平衡等仿真优化。经过仿真优化，在S波段2 GHz带宽频带规模内（f1～f9），仿真成果如图2所示。
功率管的最高频率点F9邻近容性特征比较显着，从仿真图也能够看出，在高频率点F9邻近的增益较小。在添加带宽的情况下，丢失了一部分的增益和功率。
2．3 制造匹配微带地图
依据仿真成果，该放大器的匹配电路地图，如图3所示。
2．4 宽带放大器测验
规划的宽带放大器在S波段2 GHz带宽内的功率输出大于44 dBm，增益大于7．2 dB，带内增益崎岖为1．4 dB，到达规划方针。测验成果如表2所示。
此宽带放大器在保证散热杰出的情况下，具有接连波作业能力。脉宽300 μs占空比20％。宽带放大器实物图如图4所示，外表测验如图5所示。
3 结语
本文对宽带放大器进行了计算机模仿仿真，胪陈了电路仿真进程，并对规划的放大器电路进行测验。试验数据标明规划的放大器在S波段2 GHz带宽内可完成功率超越44 dBm的输出，验证了GaN功率放大器的宽带特性。给出了可用于实践规划的办法，对宽带放大器规划实践作业具有必定的协助。
