GaN HEMT多级射频功率放大器设计方法及放大器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及功率放大器的设计、制造，为实现在射频宽带范围内可以达到更大的输出功率和附加效率。本发明采用的技术方案是，GaN HEMT多级射频功率放大器设计方法及放大器，包括如下步骤：首先使用氮化镓功率管设计单管射频功率放大器，再利用功率管搭建三级前级驱动电路；采用四个单管功率放大器并联构成末级功率放大器组，最后将驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终的射频大功率放大器；功率放大器，结构是，氮化镓功率管制成的单管射频功率放大器输出到三级前级驱动电路，最后经驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终的射频大功率放大器输出。本发明主要应用于放大器的设计、制造。
【专利说明】
GaN HEMT多级射频功率放大器设计方法及放大器
技术领域
[0001] 本发明设及功率放大器的设计、制造，更具体地，设及宽带大功率射频功率放大器 的设计。
【背景技术】
[0002] 射频功率放大器是无线发射机中非常重要的组成部分，被普遍地应用在无线远程 通信、定位导航、卫星通信等系统中。射频功率放大器作为发射机的重要模块，其工作带宽、 输出功率、附加效率W及其线性度等性能严重地影响了无线通信系统的质量。
[0003] 化Ul Saad等人使用GaN高电子迁移率晶体管设计出一款工作频段为2-4G化的高 效射频功率放大器。A.Ma巧cmmenos等人报道研究出一种工作在70-105細Z的宽频带GaN功 率放大器。可将该微波放大器用于工作在E和W频段的发射模块。查尔莫斯科技大学David Gustaf sson等人提出了一种工作在1.0-3. OG化的功率放大器。该放大器附加效率有显著提 高。南京电子技术研究所，运用传统的传输线理论，采用4只GaN忍片进行阻抗匹配，运用切 比雪夫宽带匹配原理，实现了 S频段输出功率大于65W，相对带宽为30%、效率大于45%的功 率放大器。中国电子科技集团公司第S十六研究所在计算机中利用ADS电路仿真，针对GaN 功率管进行特性分析，提出了一种工作在L频段，连续波输出功率为100W，效率大于50%的 高新能功率放大器。
【发明内容】
[0004] 为克服现有技术的不足，实现在射频宽带范围内可W达到更大的输出功率和附加 效率。本发明采用的技术方案是，GaN皿MT多级射频功率放大器设计方法，包括如下步骤： 首先使用氮化嫁功率管设计单管射频功率放大器，再利用功率管搭建=级前级驱动电路； 采用四个单管功率放大器并联构成末级功率放大器组，最后将驱动电路和末级功率推动电 路级联形成最终的射频大功率放大器。
[0005] 单管射频功率放大器的设计：首先要设计功率管的静态工作点W及搭建偏置电 路，再进行稳定性分析，让放大器满足绝对稳定条件，继而通过仿真软件测试出功率管的输 入和输出阻抗，并设计得到输入和输出匹配网络。
[0006] 1.1静态工作点和偏置电路
[0007] 射频功率放大器在AB类工作状态，根据ADS仿真软件中电流-电压（I-V)静态曲线 和数据手册确定静态工作点电压;确定静态工作点后开始设计偏置网络，在设计偏置网络 时，在输入端、输出端串联电容，其作用是去禪和滤波;在电源两端并联旁路电容，其作用是 滤除波动干扰；
[000引1.2稳定性设计
[0009]如果将射频功率放大器抽象成一个双端口网络，其特性由S参量W及负载反射系 数r L和波源反射系数r S确定，根据上面分析，当反射系数的模小于1时电路处于稳定状态， 通过公式表示为：
[0010] I rL|<l I rs|<l
[0011] 则输入反射系数r in和输出反射系数r DUt有：
[0012]
[OOU]其中，A =SllS22-Sl2S21，根据公式推导，绝对稳定条件可W通过稳定性因子k来表 达：
[0014]
[0015] 其中，I A I = |SiiS22-Si2S2i|<l;
[0016] 当反射系数大于1的时候，则有Re(Zin)<0和Re(Z〇ut)<0,在输入或输出端添加串联 电阻或并联电容；Sll为输出端口匹配时，输入端口反射波与入射波之比；S21为输出端口匹 配时，输出端口传输波与输入端口入射波之比；S22为输入端口匹配时，输出端口发射波与入 射波之比；Sl2为输入端口匹配时，输入端口传输波与输出端口入射波之比。
[0017] 输入输出匹配网络设计
[0018] 在设计输入输出阻抗匹配电路之前，我们必须先测得晶体管的输入输出阻抗。为 了测试输出输入阻抗，采用的方法是负载牵引法化oadPull)和源牵引法(SourcePull),在 确保输入阻抗匹配的条件下，通过不断变化负载阻抗值，最终在一系列阻抗值中确定使得 功率管输出功率最大时刻的阻抗值，同理也能确定使得功率管工作效率最高的输出阻抗 值；
[0019] 在确认输入输出阻抗后，则需要为晶体管设计输入输出阻抗匹配电路，将其阻抗 匹配至标准输入输出阻抗50欧姆，采用微带线和电容融合的电路拓扑结构设计匹配网络。
[0020] GaN皿MT多级射频功率放大器，结构是，氮化嫁功率管制成的单管射频功率放大 器输出到=级前级驱动电路，=级前级驱动电路是利用功率管搭建而成；前级驱动电路输 出到四个单管功率放大器并联构成的末级功率放大器组，最后经驱动电路和末级功率推动 电路级联形成最终的射频大功率放大器输出。
[0021] 前级放大器输出端口为隔离器，保证与末级放大的良好隔离；
[0022] 2个3地电桥用于将=级前级驱动电路的第=级放大器输出功率等分为四路，分别 给四个末级放大器提供等幅的功率推动，四个末级放大器通过3个3地电桥整合后输出。
[0023] 本发明的特点及有益效果是：
[0024] 本发明设计了多级射频大功率放大器。该放大器由前=级驱动放大电路和末级功 率放大器组两部分级联组成。前S级驱动放大电路各级使用的功率管分别为AH125、 CGH40006和CGH40045。前级驱动放大电路将功率推动到40地m，S阶互调抑制为40地C，为末 级功放组提供足够大的输入功率。末级功率放大器组由4个单管功率放大器模块并联组成， 其中单管功率放大器模块使用的功率管为CGH40120F，最终末级功率放大器组输出功率可 达400W，附加效率大于46%，S阶互调抑制可达18.4地C。最后将前S级驱动放大电路和末 级功率放大器组两部分级联成原始宽带大功率放大器并对其测试，其最终指标达到预期效 果。
【附图说明】：
[0025]图1多级射频功率放大器电路结构。
[00%]图2多级射频功率放放大器电路。
[0027] 图3整体电路小信号增益。
[00%]图4输入功率为0地m，输出功率随频率变化。
[0029] 图5输入功率为0地m，附加效率随频率变化。
【具体实施方式】
[0030] 本发明通过对功率放大器相关技术的研究设计出一种多级射频功率放大器，通过 ADS电路仿真，该射频功率放大器在工作带宽、输出功率、附加效率W及线性度方面均取得 了良好的效果。
[0031] 本发明采用Cree公司生产的GaN高电子迁移率晶体管设计功率增益大于55地、输 出功率为55dBm的大功率射频功率放大器，并在ADS软件上进行仿真验证。首先使用 CGH40120F氮化嫁功率管设计了一种单管射频功率放大器。该功率放大器工作在L频段，输 出功率在全频段内大于50地m，功率增益大于14地。同时放大器的附加效率大于48%，并且 具有良好的线性度。在此基础上，使用AH125、CGH40006、CGH40045功率管搭建了 S级前级驱 动电路，驱动信号功率达到40地m;采用四个单管功率放大器并联构成末级功率放大器组。 最后将驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终的射频大功率放大器。仿真结果表明该 功率放大器在频段950MHz~1250MHz内，实现了功率增益大于55地，输出功率为55地m，附加 效率大于42%，且具有较好的线性度，取得较好的效果。技术方案如下：
[0032] 1、首先进行单管射频功率放大器的设计，射频功率放大器的设计不同于低频电 路，其需要考虑工作频段、带宽等特殊因素，特别是入射电压波和入射电流波与有源器件的 匹配。设计射频功率放大器首先要设计功率管的静态工作点W及搭建偏置电路，再进行稳 定性分析，让放大器满足绝对稳定条件，继而通过仿真软件测试出功率管的输入和输出阻 抗。并设计得到输入和输出匹配网络。
[0033] 1.1静态工作点和偏置电路
[0034] 在设置静态工作点之前要对功率放大器的状态进行分析，A类功率放大器线性度 较好，但其效率低。B类功率放大器效率比A类放大器高，但是会产生交越失真，影响功率放 大器线性度。所W综合考虑，所设计的射频功率放大器在AB类工作状态，其效率和线性度相 对而言都比较好。根据ADS仿真软件中电流-电压（I-V)静态曲线和数据手册可确定静态工 作点电压。确定静态工作点后开始设计偏置网络。所设计的偏置网络应该让直流信号顺利 从直流源到达功率管漏极，同时防止因输入阻抗不够大而引起交流功率泄漏，即避免直流 偏置电路影响交流电路各部分阻抗特性。在设计偏置网络时，通常在输入输出与器件之间 串联一些电容，其作用是去禪和滤波。在电源与器件并联一些旁路电容，其作用是滤除波动 干扰。
[0035] 1.2稳定性设计
[0036] 射频功率放大器正常工作的前提条件是器件在整个频段内处于稳定状态，若不稳 定的话，射频电路工作在某些频率和终端条件下可能将形成震荡，从而烧毁器件。如果反射 系数I r |〉1，则反射电压将变大，即形成了正反馈，将造成不稳定的情况发生。相反，如果 r I<1，将导致反射电压的幅度减小，形成负反馈，运对于射频功率放大器而言是处于稳定 状态。
[0037] 如果将射频功率放大器抽象成一个双端口网络，其特性由散射参量SW及负载反 射系数r L和波源反射系数r S确定。根据上面分析，当反射系数的模小于1时电路处于稳定 状态，通过公式表示为：
[0038] rL|<l I rs|<l
[0039] 则输入反射系数r in和输出反射系数r DUt有：
[0040]
[OOW 其中，A =SllS22-Sl2S2uSll为输出端口匹配时，输入端口反射波与入射波之比；S21 为输出端口匹配时，输出端口传输波与输入端口入射波之比;S22为输入端口匹配时，输出端 口发射波与入射波之比；Sl2为输入端口匹配时，输入端口传输波与输出端口入射波之比。
[0042] 根据公式推导，绝对稳定条件可W通过稳定性因子k来表达：
[0043]
[0044] 其中，I A I = |SllS22-Sl2S2l|<l。
[0045] 在工作频段内，晶体管很可能是处于非稳定状态下，所W必须要采取适当的方案 让其处于稳定状态。通过上述理论分析，当反射系数大于1的时候，则有ReUinKO和Re(Zout) <0,必须消除输入输出阻抗中负值分量，常用的方法是在输入或输出端添加串联电阻或并 联电容。
[0046] 1.3输入输出匹配网络设计
[0047] 在设计输入输出阻抗匹配电路之前，我们必须先测得晶体管的输入输出阻抗。为 了测试输出输入阻抗，采用的方法是负载牵引法化oadPull)和源牵引法(Source化11)。负 载牵引是测量功率管输出阻抗的一种常用方法。其基本原理是在确保输入阻抗匹配的条件 下，通过不断变化负载阻抗值，最终在一系列阻抗值中确定使得功率管输出功率最大时刻 的阻抗值，同理也能确定使得功率管工作效率最高的输出阻抗值。并在Smith圆图上将相同 功率增益的负载点相连，得到等增益圆图，该图能较好的显示待测电路所达到的最大输出 功率和效率。同样源牵引原理类似，在保证输出阻抗匹配的条件下，不断变换输入阻抗，从 而得到最佳的输入阻抗值。
[0048] 在确认输入输出阻抗后，则需要为晶体管设计输入输出阻抗匹配电路，将其阻抗 匹配至标准输入输出阻抗50欧姆。其中输入阻抗匹配网络主要作用是降低射频模块的输入 驻波比和增加输出信号的带内平坦度，输出阻抗匹配网络主要作用是降低损耗和高次谐波 分量、控制输出功率和效率。由于所设计的放大器属于宽带射频功率放大器，应该采用宽带 阻抗匹配理论进行匹配网络的设计，在设计阻抗匹配网络时候需要考虑将整个带宽的阻抗 均匹配至标准阻抗。在射频等波长较短的情况下，将会体现元器件的寄生效应，从而影响电 路参数，产生不可控制的结果。因此设计射频功率放大器阻抗匹配网络时采用分布式电路， 即微带线。由于工作频率在IOG化W下，此外还考虑到实物制作时方便调试，故采用微带线 和电容相结合的电路拓扑结构设计匹配网络。
[0049] 2、由于要求放大器功率增益55地，对于单级射频功率放大器而言实现困难，所W 采用四级射频功率放大器通过级联的方式组成最终功率放大器组，从而达到最终指标。前 =级为功率驱动级，最后一级为四级单管射频功率放大器并联结构，W提供最终的功率推 动，最后电路输出端可产生功率为380W的信号。电路图结构附图1。各部分功能及设计如下：
[0050] a)、前级放大器给末级模块提供足够的功率推动，并且其增益可保证将输入小信 号线性放大到末级推动要求的幅度;输出端口为隔离器，保证与末级放大的良好隔离；同时 前级放大器需保证良好的带内平坦度，幅相特性需要一致；
[0051] b)、2个3地电桥(分路）用于将第=级放大器输出功率等分为四路，分别给四个末 级放大器提供等幅的功率推动；
[0052] C)、末级放大器直接提供功放的最终输出功率，它是功放模块中最重要的组成部 分，其设计是整个功放模块的最重要关键技术之一，使用一只GaN功率管通过良好输入输出 宽带匹配，可在全频段实现108WW上功率输出，满足功放模块需求；
[0053] d)、使用2个3dB电桥(合路)将四个末级放大器的输出信号进行合成。为保证合成 效率，合路器需要有良好的幅度及相位一致性。同时输入四个端口间应有良好的隔离特性， 有效避免因单个末级放大器故障造成的整机失效。
[0化4] 2.1末级功率放大器组
[0055]根据设计方案中搭建末级功率放大器组的方法，将前面匹配的CGH40120F氮化嫁 功率管放大器模块通过3地功分器/合路器合并成一个总输出功率可达到350W的末级功率 放大器组。输入信号由3地功分器分成四路信号，该四路信号分别通过一个单级射频功率放 大器模块，再由3地合路器将单级射频功率放大器模块的放大输出信号合成一路最终的输 出信号。
[0化6] 2.2前级驱动放大器组
[0057]由于末级功率放大器组输出功率虽然达到指标要求，但是功率增益却只有15地， 没有达到设计指标，所W在前级需要加入驱动电路。由于线性化方案主要针对于末级功率 放大器组，所W前S级放大器要求有较好的线性度。第一级功放使用化iquint半导体公司 的AH125晶体管，第二级第S级功放分别使用CR邸半导体公司的CGH40006和CGH40045晶体 管。该S级设计步骤与单管CGH40120F射频大功率放大器设计步骤类似，但在具体偏置网 络、稳定电路W及输入输出匹配电路设计中电压、电容、微带线参数的取值需要依据具体的 晶体管而定。
[0化引2.3在整体功放的四个模块(41、42、43、44)设计完成之后，可^对其整体电路进行 仿真，测试其整体电路的指标效果。附图2为四级模块级联的整体功率放大器电路。
[0059] 多级射频功率放大器的具体的指标如下：
[0060] 1、工作频段:950MHz ~1250MHz
[0061 ] 2、输出功率：> 380W
[0062] 3、功率增益：^55地
[0063] 4、S阶互调抑制：> 17dBc(10MHz间隔）
[0064] 5、ACPR: <-32dBc [00化]6、功率效率：含42%
[0066] 本发明通过对功率放大器的具体指标分析，设计了四级级联功放来达到指标要 求。前=级为功率驱动级，最后一级为四级单管射频功率放大器并联结构，W提供最终的功 率推动。功率放大器电路结构附图1。
[0067] 射频功率放大器电路结构设计完成之后，在ADS软件中对多级射频功率放大器进 行仿真和验证。电路仿真图附图2。首先对末级单管射频功率晶体管进行设计和仿真。在末 级单管功放达到性能指标后，搭建末级功率放大器组，然后对前级驱动电路进行设计和仿 真。对整个射频功率放大器设计完成之后，在ADS仿真环境中对所设计的功放进行验证分 析。
[0068] (1)、S参数仿真
[0069] 测试功率放大器的小信号增益，附图3为整体功率放大器S(2，l)曲线图，即小信号 增益曲线。可W看出在整个工作频段内（950MHz~1250MHz)大于55地，指标符合要求。
[0070] (2)、功率测试
[0071] 测试功率放大器的输出功率。测试是在ITone输入信号、输入功率为OdBm的条件 下，输出功率随频率的变化情况。附图4，可W看出，在工作频段内（950MHz~1250MHz )，大于 55地m满足设计要求(要求大于350W)。
[0072] (3)、附加效率测试
[0073] 附图5是输入功率为OdBm时，附加效率随频率变化情况。在整个工作频段内，附加 效率在43 %左右。该指标符合功率附加效率大于38 %的要求。
【主权项】
1. 一种GaN肥MT多级射频功率放大器设计方法，其特征是，步骤如下:首先使用氮化嫁 功率管设计单管射频功率放大器，再利用功率管搭建Ξ级前级驱动电路;采用四个单管功 率放大器并联构成末级功率放大器组，最后将驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终 的射频大功率放大器。2. 如权利要求1所述的GaN HEMT多级射频功率放大器设计方法，其特征是，单管射频功 率放大器的设计:首先要设计功率管的静态工作点W及搭建偏置电路，再进行稳定性分析， 让放大器满足绝对稳定条件，继而通过仿真软件测试出功率管的输入和输出阻抗，并设计 得到输入和输出匹配网络； 1.1静态工作点和偏置电路 射频功率放大器在AB类工作状态，根据ADS仿真软件中电流-电压（I-V)静态曲线和数 据手册确定静态工作点电压;确定静态工作点后开始设计偏置网络，在设计偏置网络时，在 输入端、输出端串联电容，其作用是去禪和滤波;在电源两端并联旁路电容，其作用是滤除 波动干扰； 1.2稳定性设计 如果将射频功率放大器抽象成一个双端口网络，其特性由S参量W及负载反射系数Γ L 和波源反射系数Ts确定，根据上面分析，当反射系数的模小于1时电路处于稳定状态，通过 公式表不为： Γι|<ι I rs|<i 则输入反射系数Γ in和输出反射系数Γ Dut有：其中，Δ = S11S22-S12S21，根据公式推导，绝对稳定条件可W通过稳定性因子k来表达：其中，|Δ| = |SllS22-Sl2S2l|<l; 当反射系数大于1的时候，则有Re (Zin) <0和Re (Zout) <0，在输入或输出端添加串联电阻 或并联电容;Sll为输出端口匹配时，输入端口反射波与入射波之比；S21为输出端口匹配时， 输出端口传输波与输入端口入射波之比；S22为输入端口匹配时，输出端口发射波与入射波 之比；Sl2为输入端口匹配时，输入端口传输波与输出端口入射波之比。3. 如权利要求1所述的GaN HEMT多级射频功率放大器设计方法，其特征是，输入输出匹 配网络设计步骤是： 在设计输入输出阻抗匹配电路之前，我们必须先测得晶体管的输入输出阻抗。为了测 试输出输入阻抗，采用的方法是负载牵引法化oadPul 1)和源牵引法（SourcePul 1)，在确保 输入阻抗匹配的条件下，通过不断变化负载阻抗值，最终在一系列阻抗值中确定使得功率 管输出功率最大时刻的阻抗值，同理也能确定使得功率管工作效率最高的输出阻抗值； 在确认输入输出阻抗后，则需要为晶体管设计输入输出阻抗匹配电路，将其阻抗匹配 至标准输入输出阻抗50欧姆，采用微带线和电容融合的电路拓扑结构设计匹配网络。4. 一种GaN肥MT多级射频功率放大器，其特征是，GaN HEMT多级射频功率放大器，结构 是，氮化嫁功率管制成的单管射频功率放大器输出到Ξ级前级驱动电路，Ξ级前级驱动电 路是利用功率管搭建而成;前级驱动电路输出到四个单管功率放大器并联构成的末级功率 放大器组，最后经驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终的射频大功率放大器输出。5. 如权利要求4所述的GaN ΗΕΜΤ多级射频功率放大器，其特征是，前级放大器输出端口 为隔离器，保证与末级放大的良好隔离。6. 如权利要求4所述的GaN肥MT多级射频功率放大器，其特征是，2个3地电桥用于将Ξ 级前级驱动电路的第Ξ级放大器输出功率等分为四路，分别给四个末级放大器提供等幅的 功率推动，四个末级放大器通过3个3地电桥整合后输出。
【文档编号】H03F3/24GK105846784SQ201610159958
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】贾冰, 刘开华, 马永涛
【申请人】天津大学