0.2~2.0GHz100W超宽带GaN功率放大器

设计并实现了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的100 W超宽带功率放大器。基于SiC无源工艺设计了集成无源器件(IPD)输入预匹配电路芯片;设计了基于陶瓷基片的T型集成输出预匹配电路;基于建立的传输线变压器(TLT)的精确模型,设计了宽带阻抗变换器,在超宽频带内将50Ω的端口阻抗变换至约12.5Ω,再通过多节微带电路与预匹配后的GaN HEMT芯片实现阻抗匹配。最终,以较小的电路尺寸实现了功率放大器的超宽带性能指标。测试结果表明,功率放大器在0.2~2.0 GHz频带内,在漏极电压36 V、输入功率9 W、连续波的工作条件下,输出功率大于103 W,漏极效率大于50%,输入电压驻波比(VSWR)≤2.5。

4GHz~8GHz 200W GaN超宽带内匹配功率放大器的研制

基于中国电子科技集团公司第十三研究所0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)工艺平台研制的高压大栅宽芯片,设计了一款4GHz~8GHz 200W GaN超宽带内匹配功率放大器,分别进行了管芯设计、大信号模型设计、栅匹配电路设计以及输出匹配电路设计,并对设计出的功率放大器进行制作与测试,测试表明设计出的功率放大器具有优异的性能。

超宽带高效率大功率放大器技术研究

宽带功率放大器是宽带通信、电子对抗以及雷达系统中核心、通用和高附加值部件。随着通信系统需求的不断提升,对于带宽更宽、效率更高、功率更大的功率放大器的需求已经迫在眉睫。基于氮化镓(gallium nitride,GaN)高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)设计了一款工作频率在0.46~3.9 GHz的超宽带功率放大器。首先对输入匹配进行优化设计,实现全频带内绝对稳定以及高增益放大;其次通过对目标频带内不同频点进行多次负载牵引设计,提取出高功率、高效率输出匹配阻抗空间,并应用4段切比雪夫阻抗变换器作为输出匹配拓扑,实现宽频带内的高效率和高功率输出。测试结果表明:在0.46~3.9 GHz的工作频带内,输出功率Pout>13.8 dBm,最高输出功率为24.1 W;全频带漏极效率(drain efficiency,DE)DE>50.1%,最高漏极效率为67.2%。仿真与实测结果吻合,为设计目前所需超宽带功率放大器提供了思路。

基于简易实频技术的宽带高效率功率放大器设计

为了满足5G通信系统对功率放大器带宽和效率的要求,基于CGH40010F晶体管,采用简易实频技术,设计了一款工作在n77频段(3.3 GHz~4.2 GHz)的宽带高效率功率放大器。首先采用负载牵引的方法对各频点的基波最佳阻抗值以及二次谐波阻抗空间进行提取,选择简易实频技术设计宽带匹配网络,在其仿真性能良好的前提下,进行了加工测试。测试结果表明,该功率放大器在3.3 GHz~4.2 GHz频段内,漏极效率为58.1%~64.5%,增益为11.1 dB~12.9 dB,饱和输出功率为39.6 dBm~41.3 dBm。该功率放大器的性能良好,且带宽和效率具有一定的优势,可为后续宽带高效率功率放大器的设计提供参考。

1 GHz~4 GHz 200 W超宽带GaN内匹配功率放大器的研究

采用砷化镓无源集成电路(GaAs IPD)和陶瓷薄膜无源电路相结合的匹配技术,实现覆盖L波段、S波段的超宽带功率放大器的内匹配设计。功率放大器集成封装于内腔尺寸为30.6 mm×27.3 mm×5.0 mm的金属陶瓷气密管壳内,实现在1 GHz~4 GHz频段内、工作电压为48 V、占空比为10%、脉宽为100μs的条件下,带内输出功率大于220 W、功率增益达9.5~10.8 dB、附加效率达43%~55%的性能指标。

基于GaN HEMT的80GHz~140GHz超宽带功率放大器

为满足毫米波通信等应用领域对超宽带功率放大器的需求,文章采用南京电子器件研究所50 nm GaN HEMT工艺研制了一款覆盖W、F波段的超宽带功率放大器。首先,使用模型对实验数据进行拟合外推,得到宽带范围内管芯的功率阻抗;其次,采用LC结构加高低阻抗微带线方式进行宽带电路匹配,并设计了末级、级间和输入级的匹配电路拓扑结构;最后,对级间匹配电路进行综合优化调整,并采用兰格桥进行功率合成。最终,放大器在80GHz~140GHz范围内,典型线性增益达18dB,饱和输出功率达100mW,同时,在全频段范围内,芯片具有±1dB的功率平坦度和良好的回波损耗,在太赫兹领域具有广阔的应用前景。

超宽带GaN功率放大器和开关集成设计研究

为解决分散独立的多通道射频链路兼容性难题,提出了一款基于0.15μm GaN工艺的高集成、超宽带功率放大器开关一体式芯片。通过非标准阻抗的匹配方式对功率放大器和开关进行级联设计,减小了整体芯片尺寸,并提高了功率放大器开关芯片的功率附加效率,最终在2 GHz~18 GHz频带,实现了功率放大器开关芯片饱和输出功率为6 W,功率增益为16 dBm,且功率附加效率大于19%。

基于阶跃式匹配结构与谐波控制技术高效宽带GaN HEMT射频功率放大器设计

针对射频功率放大器存在的效率及带宽问题,文中设计了一款高效宽带GaN HEMT功率放大器(power amplifier,PA),采用阶跃式匹配结构实现其输入输出匹配网络设计,结合典型的十字型谐波控制技术实现了二、三次谐波的控制,极大地提高了输出效率。以GaN HEMT晶体管为核心器件,通过设置合适的偏置网络和匹配网络结构实现了电路设计。仿真结果表明,在2.3~2.9 GHz内其输出功率(P_(out))为41~42.1 dBm,增益(Gain)达12~13.1 dB、漏极效率(drain efficiency,DE)达69.1%~77.7%、功率附加效率(power added efficiency,PAE)达67.1%-74.3%。

一种基于55 nm CMOS工艺的V波段高功率宽带功率放大器

基于标准55 nm CMOS工艺设计了一款工作在V波段下的高输出功率宽带功率放大器,放大器采用交叉中和电容技术来提高功率放大器的增益和稳定性,并通过两路功率合成网络提高输出功率。通过多频点叠加技术设计级间变压器,拓展放大器带宽。仿真结果表明,在1.2 V电源电压下,放大器的3 dB带宽为14.5 GHz,静态直流功耗为184 mW,饱和输出功率为13.2 dBm,小信号增益为16.6 dB,具有高宽带、高输出功率的优点。

0.5~2.5 GHz超宽带高功率功率放大器设计

本文首先对NXP半导体公司生产的MMRF5014H射频功率氮化镓晶体管进行源牵引和负载牵引获取晶体管的源阻抗和负载阻抗,再采用切比雪夫阻抗变换器进行阻抗匹配,设计了一款工作频率在0.5~2.5 GHz范围内的超宽带、高功率、高增益的功率放大器。仿真结果显示:在工作频带内饱和输出功率范围为50.09 dBm(102.1 W)~51.53 dBm(142.1 W),增益范围为10.09~11.66 dB,功率附加效率为49.61%~65.08%。

2~6 GHz 100 W高效率平衡式功率放大器的研制

为解决传统宽带大功率放大器工作效率低的问题,采用新型电阻电抗连续B/J类功放模式拓展晶体管高效率的输出负载阻抗空间,从而提高宽带功放的漏级输出效率。提出了一款基于0.25μm栅长的氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的平衡式功放。该功放将LC匹配网络和切比雪夫阻抗变换器相结合实现GaN HEMT器件宽带输入输出阻抗匹配,并利用3 dB Lange耦合器实现宽带平衡式功率合成。在连续波测试条件下,该平衡式功放在2~6 GHz频带内输出功率大于100 W,漏极效率大于45%,功率增益大于9.0 dB,抗负载失配比优于5:1。

可重构宽带功率放大器设计

随着未来无线通信需求的增长,通信系统需适用更多的频带和标准。针对可重构功率放大器各模式下工作带宽窄的缺点,本文基于简化实频技术和可重构理论,提出了一种拓展可重构功率放大器工作带宽的设计方法。通过在可重构理论中融入简化实频法的宽带设计方法,在设计过程中加入新的误差函数,对可变模式下的可重构电路结构进行判别,进而实现可重构宽带功率放大器设计。为了验证该方法的有效性,并满足实际设计指标,采用中国科学院微电子研究所自主研发的LDMOS晶体管设计并制作了适用于GSM网络和LTE网络的一个频率可切换的宽频可重构功率放大器。测试结果表明,该可重构功率放大器在不同模式下可分别工作在0.6~1.1 GHz和1.1~1.6 GHz频段,饱和输出功率超过40 dBm,漏极效率(DE)在50%~60%之间。因此,本文提出的设计方法可以降低可重构宽带功率放大器的设计难度,较好的发挥晶体管性能,降低成本,在实际基站射频电路设计中具有很好的应用意义。

UHF频段350 W超宽带小型化GaN功率放大器设计

采用50 V氮化镓(GaN)芯片,设计一款超高频(UHF)频段350 W超宽带小型化GaN功率放大器。基于砷化镓(GaAs)无源工艺,设计芯片化的输入集成无源器件(IPD)匹配电路;基于高热率的瓷片,设计集成的“L”型瓷片预输出匹配,以及基于高介电常数的印刷电路板(PCB)板材,设计外输出匹配电路,从而实现输出匹配电路的宽带小型化。采用混合集成工艺实现小型化高密度集成,功率放大器体积为25 mm×25 mm×7 mm。经测试,功率放大器在频带为0.3 GHz~0.7 GHz、电压为50 V、脉宽为100μs、占空比为10%、输入功率为15 W的工作条件下,实现了带内输出功率大于350 W、功率增益大于13.5 dB、功率附加效率大于50%的性能指标。

基于阻抗缓冲概念的连续逆F类功率放大器设计

为了满足移动通信系统中功率放大器宽频带和高效率的需求,介绍了一种高效率连续逆F类功率放大器设计方法,并基于CREE公司的CGH40010F高功率管设计了验证电路。在分析连续逆F类模式的基波和谐波阻抗基础上,提出了一款基于阻抗缓冲概念的新型谐波控制网络,设计并实现了一个1.2 GHz~2.3 GHz宽带的连续逆F类功率放大器。ADS版图联合仿真结果表明:在1.2 GHz~2.3 GHz工作频带内,漏极效率在58.9%~74.4%之间,输出功率为39.3 dBm~41.3 dBm,增益大于10.3 dB,增益平坦度小于±1 dB。本文的设计方法能为功放设计者提供一定的参考。

2~18GHz超宽带GaN分布式功率放大器MMIC

介绍了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的2~18 GHz超宽带功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。采用两级非均匀分布式拓扑结构,通过调整各级管芯输出阻抗和微带线阻抗实现超宽带的功率匹配。在管芯前端增加电阻、电容并联结构,提升各级电路稳定性并提高截止频率。为改善整体电路布局,在前级和末级放大器之间加入50Ω微带线,既可便于单侧加电,又使芯片尺寸更加合理。测试结果表明,功率放大器MMIC在2~18 GHz频带内,连续波饱和输出功率达到10 W,功率增益大于15 dB,功率附加效率大于20%。GaN非均匀分布式功率放大器MMIC在超宽带、高功率等方面具有广阔的应用前景。

短波跨倍频程超宽带E类功率放大器设计

本文基于CREE公司GaN HEMT功放管CGH40025F设计了一款短波跨倍频程超宽带E类功率放大器。实测结果表明其在1.6~175MHz宽带范围内其PAE均在60%以上,最大可达74.3%;输出功率在43.2~44.09dBm;增益均大于15dB,且其增益平坦度在±1dB以内。可较好的覆盖整个短波通信频段,在不依赖于中继基站、远距离短波通信系统的应用中具有十分重要的价值。

基于IPD工艺的低频宽带高增益功率放大器设计

介绍了一种覆盖P波段到S波段的低频GaN宽带高增益功率放大器的设计流程。通过采用集成无源器件(integrated passive device,IPD)技术,该放大器集成了驱动和末级功率放大器,其中末级功率放大器采用Lange电桥合成构成平衡结构。整个功率放大器在27.5 mm×30.6 mm×5.0 mm的载体尺寸内实现。测试结果显示在0.8 GHz~2.7 GHz频带内饱和输出功率在25.2~36.4 W,功率增益在24~25.62 dB,功率附加效率大于40.7%,最高功率附加效率达到了53.5%。

基于功率放大器的宽带非互易超表面设计

在电子对抗和无线通信系统中,放大有用电磁信号的同时还需要抑制电磁干扰信号,即需要针对不同类型的电磁信号进行非互易式调控。因此,支持空间电磁波非互易式调控的超表面应运而生。面向电子对抗及无线通信系统的超宽带趋势,非互易超表面不仅需要具备超宽的工作频带,还需要在超宽工作频段内引入阻带,从而避免与现有的窄带通信系统形成干扰。面向上述需求,基于接收、放大和再辐射的方案提出了“贴片-功率放大器-贴片”结构的非互易超表面,该超表面的工作频段为1.0~4.0 GHz,其工作频段与现有的ISM(Industrial Scientific Medical)频段产生干扰。为了避免上述干扰,将耦合结构和短路枝节加载到上述超构单元中,从而在超宽工作频带内引入阻带,最终在1.00~2.11 GHz和2.75~3.95 GHz两个频段范围内实现电磁波的非互易式调控。

基于变压器匹配的1.8~2.7 GHz宽带功率放大器

针对5G移动通信系统n1,n2,n40和n41频段,基于InGaP/GaAs异质结双极晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor,HBT)工艺,设计了一款工作在1.8~2.7 GHz的宽带高增益功率放大器。该功放采用并联式负反馈的三级放大结构。为了拓展电路的工作带宽,一方面,第二、三级级间匹配采用片上变压器,并将单端信号转换为差分信号;另一方面,输出匹配网络采用片外变压器,实现阻抗变换和功率合成。实测结果表明,室温下所实现的宽带功率放大器在1.8~2.7 GHz全频段内小信号增益不小于32 dB,饱和输出功率大于31.9 dBm,饱和工作效率大于28%。输入4G-LTE 20 MHz的调制信号,当放大器的输出功率为22 dBm时,全工作频段邻近信道功率比(Adjacent Channel Power Ratio,ACPR)小于-39 dBc。1 dB压缩点输出功率在1.9,2.3和2.6 GHz三个工作频点实测均大于30.7 dBm。

监测预警Mesh通信系统的宽带射频功率放大器设计

为解决基于Mesh技术的实时监测预警系统中单频无线监测终端易被外部干扰而无法使用的问题,设计了一种可应用于无线监测的1.0~1.5 GHz的宽带射频功率放大器.该宽带射频功率放大器由驱动放大器和末级放大器构成.采用单载连续波和20 MHz的64QAM宽带数字射频信号测试该射频功率放大器的性能,得到:增益大于20 dB,末级放大器输出(P1dB)大于43 dBm,射频信号峰均比(PAR)大于6 dB,邻信道功率比(ACPR)小于-34 d Bc@37 d Bm,直流功耗小于40 W,第2~4次谐波小于-50 dBc.测试结果表明,该宽带射频功率放大器达到了设计要求.