0 导言
近年来，宽禁带资料与微波功率器材开展十分迅猛。GaN资料作为第三代半导体的典型代表，具有许多优异的特性，如禁带宽度宽、击穿场强高、热传导率高和峰值电子漂移速度高，所以GaN资料能够很好地满意高温、高频和高功率等作业要求。一起因为现在的电子整机体系要求功率放大器具有较宽的带宽、较大的功率和较高的功率，而GaAs器材受本身功率密度的约束，在统筹体积时不能确保较大功率的输出，并且用GaAs器材制造的功率放大器功率较低。比较之下GaN器材在这方面的长处就变得十分杰出，GaN器材制成的功率放大器功率高于GaAs，且GaN能够高电压作业的特色将会使其成为未来工程使用的首选［1］。
与以多个晶体管并联来完成的功率放大器比较，单胞的功率放大器具有更高的能效，一起这样也可使得功率器材的输入、输出端口的阻抗与多胞器材比较更大，因而在规划和使用时，由输入、输出引线细小的改变、管壳以及其他寄生参数等带来的对电路功用的影响就比较小，乃至能够忽略不计，这样实践电路的功用与仿真的功用更为挨近，能够确保电路的功用。一起本文选用了内匹配的办法，即在管壳内部引进匹配电路，经过较高进展的薄膜电路对功率芯片进行匹配，可进一步减小外界寄生参数对电路功用的影响，愈加有利于电路的规划。
现在国内外对GaN HEMT功率放大器的研讨有许多，其参数比照见表1，能够看出，与现有的GaN HEMT 功率放大器规划比较，本文规划的功率放大器在输出功率较高的一起，也具有较高的能效，一起，使用的频段也归于S波段中比较高的频段。
本文运用传输线理论，选用单胞的电路结构，用微波仿真软件ADS对栅宽为9.6 mm GaN功率芯片进行阻抗匹配，完成了在3.8～4.2 GHz频段的接连波输入条件下，输出功率大于30 W，相对带宽25%，功率附加功率大于48%的GaN功率放大器。
1 功放的规划
1.1 器材的挑选
规划功率放大器时，挑选适宜栅宽的功率芯片很重要，假如功率芯片的栅宽太小，则无法输出所要求的功率；假如栅宽过大，又会形成功率的下降。本文的规划方针是在3.8~4.2 GHz的接连波输入的条件下，到达30 W功率的输出，附加功率大于48%。南京电子器材研讨所自主研发的GaN功率芯片，在28 V漏极电压S波段条件下具有4 W/mm的功率密度，按照此值进行核算，选取了9.6 mm栅宽的管芯。
1.2 匹配电路的完成
较为常见的匹配电路模型有L型、T型以及π型匹配网络。L型匹配网络由两个不同性质的电抗元件构成，它是一个窄带网络，具有滤波功用，滤波功用取决于匹配网络的Q值，为了完成更大的带宽和阻抗改换，匹配网络就需求更多的元件，这时T型和π型匹配网络使用就更为常见，而这两个匹配网络都是在L型匹配网络上的优化。当需求完成的带宽持续添加时，这就需求进行多节匹配，而这时选用的根底匹配网络便是L型网络结构。
本文规划的功率放大器的相对带宽为10%，已归于宽带规模，因而电路匹配办法为T型、π型匹配网络或许多节匹配办法。关于电路中的电感以及电容的参数选取，有两种办法，一是经过核算的办法，二是依据阻抗-导纳史密斯圆图进行阻抗匹配。
核算办法本文以一个2节L型匹配网络为例，如图1所示。
阻抗改换是一步步履行的，从RS到R1，再到RL，当相邻电阻比持平时，能够得到最优化带宽：
由式（1）得出中心等效电阻R1的值，然后能够得出由此最优节点品质因数Q的值为：
再依据品质因数Q的核算式得到相应的C、L的值，见式（3）：
由此能够得到最优的2节L型阻抗匹配网络的各个电抗元件的数值。
使用阻抗-导纳史密斯圆图进行阻抗匹配，如图2所示。
本文选取了使用史密斯圆图进行匹配的办法，关于匹配电路的规划进程，本文先进行输出匹配电路的规划，然后再进行输入匹配电路规划。
1.2.1 输出匹配电路规划
实践功放规划中，为寻求最大的器材功率输出，放大器的输出端一般选用最佳功率匹配电路。管芯的输出阻抗一般能够等效为一个电阻与一个电容的并联办法，电阻的阻值与电容的容值都与栅宽有着直接的联络，电阻与栅宽成反比，即，R×L=90 Ω·mm；而电容与栅宽成正比，即C/L=0.4 pF/mm。因而能够得出管芯的输出阻抗为ZS=（9.375 Ω//3.84 pF）
然后使用ADS软件中的Smith Chart Utility进行阻抗匹配，本文对输出匹配选用了T型网络匹配，匹配电路见图3。
1.2.2 输入匹配电路规划
输入电路一般选用根据小信号下的最佳增益匹配以到达最优功率输出。首要需求得到管芯的小信号输入下的S参数模型，将输出匹配电路中的管芯等效RC并联电路用该S参数模型进行替换，一起对该电路进行仿真得到从管芯输入端看过去的双端口网络的S11参数，得到相应的等效输出阻抗，然后进行仿真，考虑带宽的影响，本文选用了2节L型网络匹配的规划，见图4。
实践电路中不存在抱负的电感电容元件，并且本文选用的是内匹配的办法，需求将各元件用相应的微带线进行替换。一起各节微带线衔接选用金丝相连，在对微带线匹配电路进行仿真时都要进行考虑，尽量削减额定的寄生参数的影响。
2 放大器的测验与数据剖析
在功放测验中，选用栅极偏压-2.5 V，漏极偏压28 V，输入信号为接连波的测验条件进行测验，经测验，将输入功率为25 dBm，作为小信号输入功率；将输入功率设定为36 dBm，作为到达饱满输出功率。
将实践小信号增益与仿真成果进行比照，如图5所示。
经比照能够发现实践的测验成果与仿真的数据根本挨近，鉴于存测验架、管壳的寄生参数等要素导致的衰减影响，能够以为样品与仿真根本共同。
当输入功率为36 dBm时，功放的饱满输出功率和附加功率（PAE）测验成果如图6所示。
测验成果显现，在3.8~4.2 GHz的作业频率内，功率放大器的饱满输出功率最小值为45.4 dBm，最大值为46.5 dBm，整个作业频带内的附加功率超过了48%，最大附加功率点到达了55.1%，满意规划要求。
至此本文规划的功率放大器其实测的小信号增益测验数据与仿真数据的趋势根本共同，与规划相符，大信号输入条件下的饱满输出功率与其附加功率均满意规划要求，证明本文的规划是成功的。
3 定论
本文规划并完成了一款GaN HEMT内匹配功率放大器，一起对几种匹配电路模型进行了介绍，有L型匹配网络、T型匹配网络、π型匹配网络，一起对常用于宽带电路规划的多节匹配网络以及用史密斯圆图进行匹配的办法进行了较为具体的阐明。终究用1个栅宽为9.6 mm的GaN功率芯，经过内匹配的办法，用史密斯圆图进行了电路规划，在3.8~4.2 GHz频段内，接连波输入的条件下完成了30 W以上的功率输出，一起功率的附加功率到达了48%以上。一起也显现了GaN功率器材的宽带、高效和高功率的作业功用具有宽广的工程使用远景。
参考文献
［1］ 曹泽华.L波段GaN内匹配功率放大器研讨［D］。成都：电子科技大学，2017.
［2］ 冷永清.S波段GaN基HEMT内匹配平衡功率放大器研讨［D］。长沙：湖南大学，2009.
［3］ 关统新，要志宏，赵瑞华，等。根据GaN HEMT的S波段内匹配功率放大器规划［J］。半导体技能，2014，39（1）：38-41.
［4］ Applied Materials.Semiconductor technologies［Z］.Unit States：Applied Materials，2012：1-3.
［5］ SAAD P，FAGER C，CAO H，et al.Design of a highly efficient 2-4-GHz octave bandwidth GaN-HEMT power amplifier［J］.IEEE TransacTIons on Microwave Theory & Techniques，2010，58（7）：1677-1685.
［6］ WU Y T，MKADEM F，BOUMAIZA S.Design of a broadband and highly efficient 45 W GaN power amplifier via simplified real frequency technique［C］.Microwave Symposium Digest.IEEE，2010：1090-1093.
［7］ 斛彦生，余若祺，银军，等.S波段GaN高功率内匹配功率放大器的规划与完成［J］。通讯国际，2017（12）：25-26.
［8］ 马东艺.S波段根据GaN HEMT的宽带内匹配高功率器材的研发［D］。上海：复旦大学，2014.
［9］ Reinhold Ludwig.射频电路规划理论及使用［M］。北京：电子工业出版社，2002.
［10］ BAHL I J.射频与微波晶体管放大器根底［M］。北京：电子工业出版社，2013.
