一种自偏置内匹配功率管的制作方法

本发明涉及的是一种采用单电源自偏置结构的提高内匹配功率管性能的自偏

置内匹配功率管，属于半导体技术领域。

背景技术：

微波功率器件是卫星通信系统和雷达系统中的重要组成部分，其性能直接决定了固态雷达、电子战和通讯整机系统的核心性能指标，在国防和通讯等领域具有至关重要的意义。通信系统和雷达的发展要求通信频带越来越宽，体积越来越小，同时要求有较高的可靠性。功放作为其中的重要模块之一，实现高频、宽带、小型化、高效率、更大功率对整个系统至关重要。

通信系统和雷达的发展要求微波功率器件的功率不断提升，因此管芯的总栅宽越来越大，芯片的输入阻抗降低，器件的无载q值变高，直接利用外部电路进行一定带宽内的匹配非常困难，在管壳内进行匹配的内匹配技术和功率单片微波集成电路（mmic）得到了广泛的应用。mmic具有带宽宽、体积小、一致性高等优点，但研制成本相对较高，电路输出损耗大，内匹配技术将匹配电路制作在陶瓷基片上，功率损耗大大降低，有利于提高器件的输出功率及功率附加效率。氮化镓（gan）作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大，击穿电压高，热导率高、功率密度高等优点，是高温、高频、大功率微波器件的理想材料。同时gan器件与si器件、gaas器件相比具有高阻抗特点，易于在较宽的频段内实现匹配，在通信系统和雷达系统中有着广泛的应用前景。

近年来，很多文章已经报道了l、s、c以及x和ku波段的gan内匹配功率放大器，研究重点放在大功率输出及高效率上。这些功率放大器通常采用传统的双电源加电方式，无法在只有一个电源可用的场合使用，且偏置电路的可靠性有待提高。因此需要发明一种方法，采用单电源的加电方式，实现可靠性更高、更稳定、应用更方便的微波功率器件。

技术实现要素：

本发明提出一种自偏置内匹配功率管，其目的为了克服传统的双电源内匹配功率管存在的不足，采用分布式电感和电容实现内匹配，减小功率管的体积；功率管采用单电源供电，只采用一个正电压加电，应用更方便；自偏置电路中的电阻给器件提供瞬态保护，电容可以减弱焊盘负反馈的影响，提高器件的稳定性。

本发明的技术解决方案：一种自偏置内匹配功率管，包括输入匹配电路、p0管芯、输出匹配电路和自偏置电路；所述输入匹配电路负责将所述管芯的输入阻抗匹配至50ω；所述输出匹配电路负责将所述管芯的输出阻抗匹配至50ω；所述自偏置电路采用单电源供电，外接漏电压vd，rs电阻上的分压vs与栅极的压差即为vgs，所述vgs压差是自偏置电路中的rs电阻上的vs分压与自偏置电路的栅极的压差；自偏置电路的源极串联一路并联的rc电路，rs电阻给器件提供瞬态保护，漏极电流的增加或者减少会自动调整栅极偏压，使器件电流保持不变，c1旁路电容实现极低阻抗，减弱源极焊盘负反馈的影响，p0管芯采用3.6mmganhemt管芯，制作在sic衬底上。

输入匹配电路采用内匹配电路技术，将匹配电路元件分别制作在陶瓷基片上，采用一级l型匹配电路将管芯的输入阻抗匹配至50ω，输入匹配电路包括c0电容、l0电感和r0电阻，所述c0电容的一端接20p隔直电容和l0电感的一端，c0电容的另一端接地，所述l0电感的另一端接所述管芯的栅极和r0电阻的一端，r0电阻的另一端接地，输入信号通过20p隔直电容的一端接入。

输出匹配电路采用内匹配电路技术，将匹配电路元件分别制作在陶瓷基片上，采用一级l型匹配电路将管芯的输出阻抗匹配至50ω；匹配电路包括l1电感、l2电感和c2电容；所述l2电感的一端接漏极电压和1000p旁路电容，l2电感的另一端接管芯的漏极和l1电感的一端，l1电感的另一端接c2电容和80p隔直电容的一端，80p隔直电容的另一端接输出。

自偏置电路在p0管芯的源极串联一路并联的rc电路到地，自偏置电路包括c1电容、r1电阻，c1电容的一端接管芯的源极和r1电阻，c1电容的另一端接地，r1电阻的一端接管芯的源极和c1电容，r1电阻的另一端接地。

c0电容、l0电感采用微带结构，为分布式元件。

r0电阻为薄膜电阻，制作在陶瓷基片上。

c2电容、l1电感、l2电感采用微带结构，为分布式元件。

c1电容为一个mom电容，采用焊料烧结在所述管芯的正下方。

r1电阻为薄膜电阻，制作在陶瓷基片上。

本发明的优点：相比现有技术，具有以下有益效果：

1）由于所述输入匹配电路和输出匹配电路均采用内匹配电路技术，采用分布式电感和电容实现匹配，将匹配元件制作在陶瓷基片上，相对于集总元件制成的放大器，其面积大大减小；

2）由于加入了自偏置电路结构，只需要单电源供电，应用更方便，并且自偏置中的电阻给器件提供瞬态保护，任何漏极电流的增加或者减少都会自动调整栅极偏压，从而使器件电流保持不变，自偏置电路中的并联电容可以实现极低阻抗，最大程度减弱源极焊盘负反馈的影响，因此大大提升了功率器件的性能及稳定性；

3）采用了内匹配电路技术以及加入自偏置电路结构，提升了内匹配功率管的性能，使得内匹配功率管具有更小的体积，应用更方便，稳定性更高。

附图说明

图1是一种自偏置内匹配功率管电路原理图。

图2是一种自偏置内匹配功率管版图。

图3是一种自偏置内匹配功率管功率输出特性仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例的具体实施方式作进一步的说明。

一种自偏置内匹配功率管，其电路原理图如图1所示，其版图如图2所示，该内匹配功率管由输入匹配电路、管芯、输出匹配电路和自偏置电路构成，输入匹配网络负责将所述管芯的输入阻抗匹配至50ω；所述输出匹配网络负责将所述管芯的输出阻抗匹配至50ω，所述自偏置电路中的电阻分压得到栅压，使得内匹配功率管只需外加一个漏电压；所述的一种自偏置内匹配功率管，其特征在于：输入匹配和输出匹配均采用分布式电感和电容实现内匹配，功率管的体积较小，同时加入自偏置电路，使得功率管只需采用单电源加电，应用更方便，自偏置电路中的旁路电容可以实现极低阻抗，最大程度减弱源极焊盘负反馈的影响，因此大大提升了功率器件的性能及稳定性。

所述输入匹配电路采用分布式电感和电容实现内匹配，将匹配元件制作在陶瓷基片上。输入匹配采用一级lc匹配，将管芯的输入阻抗匹配至50ω，包括c0电容和l0电感，所述c0电容的一端接20p隔直电容和，l0电感的一端，c0电容的另一端接地，l0电感的另一端接所述管芯的栅极和r0电阻的一端，所述r0电阻的另一端接地，输入信号通过20p隔直电容的一端接入。

c0电容、l0电感采用微带结构，为分布式元件，c0电容制作在介电常数85、厚度180μm的陶瓷基片上，l0电感制作在介电常数9.6、厚度380μm的陶瓷基片上。r0电阻为薄膜电阻，提高功率管的稳定性。

本实施例中的自偏置内匹配功率管，输出匹配电路采用分布式电感和电容实现内匹配，将匹配元件制作在陶瓷基片上。输出匹配电路采用一级lc匹配，将管芯的输出阻抗匹配至50ω，包括l1电感、l2电感和c2电容；所述l2电感的一端接漏极电压和1000p旁路电容，l2电感的另一端接p0管芯的漏极和l1电感的一端，l1电感的另一端接c2电容和80p隔直电容的一端，80p隔直电容的另一端接输出。其中l1电感、l2电感和c2电容采用微带结构，为分布式元件，c2电容制作在介电常数85、厚度180μm的陶瓷基片上，l1电感、l2电感制作在介电常数9.6、厚度380μm的陶瓷基片上。电感l2在工作频段内有很高的阻抗，阻止rf信号通过偏置网络泄漏，且对偏置电路的影响可以忽略。

本实施例中的自偏置内匹配功率管，自偏置电路在所述管芯的源极串联一路并联的rc电路到地，自偏置电路包括c1电容、r1电阻，c1电容的一端接管芯的源极和r1电阻，c1电容的另一端接地，r1电阻的一端接管芯的源极和c1电容，r1电阻的另一端接地。所述r1电阻为薄膜电阻，制作在陶瓷基片上，c1电容为一个大的mom电容，采用焊料烧结在所述管芯的正下方。

本实施例中所述管芯采用总栅宽为3.6mm的ganhemt管芯，单指栅宽为120μm，制作在sic衬底上，在28v漏电压下，负载牵引测试结果表明该管芯具有4w/mm的输出功率密度，本实施例中的自偏置内匹配功率管，陶瓷片、管芯、旁路电容等合理安排布局，采用280℃金锡焊料烧结在jf04f001管壳内，并用25μm的金丝键合，电路封装尺寸为20.8mm╳12.1mm。如图3所示为本发明中的一种自偏置内匹配功率管在漏电压vd为28v的情况下输出功率（pout）和附加效率（pae）测试结果，从图中结果可知，在350mhz~450mhz频率范围内，输出功率达到10w以上，450mhz时峰值输出功率为11.6w，功率增益为20.6db，增益平坦度约为±0.4db，各点功率附加效率大于55%，最高点达到65%。

以上所述仅是优选实施方式，应当指出：对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。