VHF频段小型化千瓦级GaN功率放大器

为了满足VHF频段对高功率放大器小型化的需求,设计并制备了一款基于05μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的VHF频段小型化千瓦级功率放大器。通过采用多节微带电容网络和高介电常数的印制电路板(PCB)实现了末级功率放大器匹配电路的小型化;以高通滤波器作为级间匹配电路,在减小电路尺寸的同时,提高了链路增益;采用混合集成工艺,实现了电源调制器、前级驱动功率放大器和末级功率放大器等各单元的小型化高密度集成。测试结果表明,在024~030 GHz频带内,该功率放大器的工作电压为50 V,工作脉宽为100μs,在占空比10%、输入功率10 dBm的工作条件下,带内输出功率大于1000 W,功率附加效率约为60%~69%,功率增益大于50 dB,功放体积为46 mm×30 mm×6 mm。

GaN功率放大器MMIC的近结区热阻解析模型

GaN功率放大器单片微波集成电路(MMIC)的热积累问题是制约其进一步高度集成和大功率化应用的主要技术瓶颈,针对该散热问题,提出了GaN功率放大器MMIC的近结区热阻解析模型。在简单多层叠加的热阻解析模型的基础上,细化至芯片的近结区域,引入了位置矫正因子矩阵和耦合系数矩阵,并通过加栅窗的方式建立了芯片近结区的热阻解析模型。该模型考虑了GaN功率放大器MMIC的特点以及衬底的晶格热效应,可以更准确地表征芯片结温。采用红外热成像仪对6种GaN功率放大器MMIC在不同工作条件下进行了热测试,对比仿真和测试结果发现,解析模型的结温预测误差在10%以内,说明该模型可以准确地表征GaN功率放大器MMIC的热特性,进而用于优化和指导电路拓扑设计。

2-6 GHz小型化、高效率GaN功率放大器

基于GaN功率放大器小型化、轻薄化的发展趋势,选用陶瓷方形扁平无引脚(CQFN)管壳封装,设计了一种2~6GHz宽频带、小尺寸、高效率的功率放大器,并阐述了设计方法和研制过程。随着器件功率密度的不断升高,散热问题成为设计中不可忽略的因素,分别采用热仿真分析及红外热成像测试方法,得到功率放大器芯片的最高温度为198.61℃,能满足散热需求。功率放大器尺寸为7.0mm×7.0mm×1.2mm,在连续波测试条件下,漏极电压为28V,工作频带为2~6GHz,饱和输出功率大于40.5dBm,功率增益大于23dB,功率附加效率大于35%,测试结果均满足实际需求。

P波段高效率CaN功率放大器内匹配技术研究

受波长限制,P波段GaN功率放大器一般采用外电路匹配的结构形式,无法满足装备小型化和轻量化的需求。为解决大波长功率器件的小型化、宽带宽和高效率难题,采用无源电感、电容、功分器等一体集成的GaAs无源电路匹配技术和高介电常数印制电路板(printed circuit board,PCB)与芯片电容的异构集成技术,大幅提高输入输出匹配电路的带宽与集成度,实现了50Ω端口阻抗匹配,解决了P波段放大器内匹配技术难题。所研制P波段GaN内匹配放大器集成封装于内腔尺寸为13.6 mm×13.6 mm的金属陶瓷管壳内,在0.38 GHz~0.70 GHz频带内、工作电压28 V、工作脉宽100μs、占空比10%的工作条件下,带内输出功率大于120 W,功率增益13.1~13.8 dB,附加效率为76%~82%的性能指标。

用于36V、500W GaN功率放大器的电源调制器

随着GaN功率放大器的发展,其工作电压和输出功率越来越大,对电源调制器的要求也越来越高。介绍了一种用于36 V、500 W GaN功率放大器的电源调制器模块。该模块基于自主研发的芯片组合设计而成,使用了一款50 V调制驱动器作为核心控制芯片,一款60 V高压PMOSFET作为调制开关,一款固定输出电压的线性稳压器,一款负压线性稳压器为功率放大器提供栅极偏置电压。经实验验证,该模块电路可以为36 V、500 W的GaN功率放大器提供稳定可靠的漏极控制电压及栅极偏置电压。此外,栅、漏电压上电时序受控,输出信号的上升、下降时间分别为16.3 ns和79.4 ns,能够很好地满足应用要求。

一种新型C频段高效率移相GaN功率放大器

研制了一种性能优良的全固态C频段高效率移相氮化镓(GaN)功率放大器模块。介绍了该功放模块设计方案及工作原理,并给出了该功放模块技术参数实验测试结果。该模块输出功率30W,带宽10MHz,带有6位移相功能,具有C频段高频率、固态、小型化、高效率、高功率密度、高击穿电压特性,是一种目前国内外尚无类似集成设计的最新高性能氮化镓(GaN)功率放大器模块。因其功放模块输出末级采用了美国Cree公司第三代宽禁带GaN功放管优化设计,实现了固态C频段高效率功率输出。

高速低功耗GaN功率放大器调制器

为了满足现代雷达调制速度需求,文章基于CMOS工艺设计了一种高速低功耗GaN功率放大器调制器芯片.芯片采用栅极调制方式,调制频率高达10 MHz.调制输出在正常栅压Vg和-5 V之间,Vg采用五位并行数字控制位编程输出,输出范围在-3.2 V到-1.2 V之间,覆盖了GaN放大器栅极所需驱动电压的所有范围.测试结果表明:接20 W GaN功率放大器时,调制上升时间为2.8 ns,下降时间2.0 ns,10 MHz工作频率下功耗5 mA.此芯片采用CMOS工艺流片,芯片面积2.4 mm×3.2 mm.

一种新研制的W频段固态GaN功率放大器毫米波源

介绍了一种新研制的W频段固态GaN功率放大器毫米波源,给出了系统组成与工作原理,提供了其主要部件W频段固态Gunn驱动源、W频段波导-微带转换器、主放大器芯片基本性能及实验测试结果。该固态毫米波源工作频率94 GHz,输出连续波功率大于300 m W,线性增益10 d B,附加效率(PAE)大于16%。在W频段固态毫米波源研制过程中,其单片微波集成电路(MMIC)功率放大器半导体材料选择经历了GaAs、InP到GaN演变,结果清楚表明,W频段毫米波源的GaN MMlC功率放大器输出功率、增益、效率、高温性能要优于其他固态MMIC功率放大器性能。W频段大功率固态GaN MMl C技术将在毫米波领域带来新的技术革命和应用。

宽带GaN功率放大器的建模与预失真

对正交频分复用传输系统中宽带GaN功率放大器的建模与预失真线性化方法进行研究。应用一个带有记忆的多项式模型来建模GaN功率放大器及其逆特性,并通过递推最小二乘法(RLS)辨识模型参数,然后利用预失真间接结构实现了GaN功率放大器的预失真器。最后,仿真验证预失真方法的有效性,结果表明记忆多项式模型可以对GaN功率放大器进行建模并实现线性化。

金刚石在GaN功率放大器热设计中的应用

随着GaN功率放大器向小型化、大功率发展,其热耗不断增加,散热问题已成为制约功率器件性能提升的重要因素。金刚石热导率高达2 000 W/(m·K),是一种极具竞争力的新型散热材料,可用作大功率器件的封装载片。采用不同载片材料对一款热耗为53 W的GaN功率放大器进行封装。分别采用有限元仿真及红外热成像仪对放大器的芯片结温进行仿真和测试,结果显示,采用金刚石载片封装的放大器的结温比采用钼铜(MoCu30)载片封装的放大器的结温降低了30.01℃,约18.69%。同其他常用载片材料进行进一步对比得出,在相同工作条件下,采用金刚石载片封装的放大器结温最低,并且随着热耗增加,金刚石的散热能力更为突出。在芯片安全工作温度175℃以下,金刚石能满足GaN功率放大器100 W热耗的散热需求。

C波段75W GaN HEMT高效率功率放大器MMIC

报道了一款基于0.25μm GaN HEMT工艺的C波段75 W高效率功率放大器MMIC。为提高功率增益,芯片的整体拓扑结构设计为三级。在末级输出匹配电路上设计了一个高效电抗式匹配拓扑,在末级管芯输入匹配电路上运用了谐波控制技术,同时利用GaN HEMT器件大信号模型来优化驱动比,通过这三种技术途径有效提高了芯片的附加效率。为扩展工作带宽及提高稳定性,其他匹配电路采用有耗匹配方式。在漏压28 V、脉宽100μs、占空比10%的工作条件下,芯片在4.8~6.0 GHz频带范围内,典型输出功率达到75 W(最高81 W),增益大于25.5dB,附加效率大于51%(最高55%),芯片面积为3.8 mm×5.5 mm。

X波段小型封装GaN功率放大器设计

基于GaN功率放大器模块化、小型化的发展需求,设计了一款X波段小型管壳封装的功率放大器。通过合理排布电路结构,实现了封装尺寸的小型化。由于器件功率密度不断提升,散热问题不容忽视,通过对不同材料的管壳底座进行热仿真分析,模拟芯片的温度分布,根据仿真结果选定底座材料为钼铜Mo70Cu30,利用红外热成像仪测试芯片结温为107.83℃,满足I级降额要求。最终设计的功率放大器尺寸为18.03 mm×8.70 mm×3.03 mm,在28 V工作电压脉冲测试条件下,9.3~9.5 GHz频带内饱和输出功率大于46 d Bm,功率附加效率大于36%,功率增益大于24.5 d B,电性能测试结果全部满足技术指标要求。

用于50 V、1 000 W GaN功率放大器的电源调制器

针对50 V、1000 W GaN功率放大器对电源调制器模块的需求,设计了一款电源调制器模块。该调制器模块全部选用河北新华北集成电路有限公司自研芯片和器件进行设计,其中包括一款50 V集成负压使能的高压N沟道MOSFET驱动器作为关键控制器件,一款120 V高压N沟道MOSFET并联作为调制开关,一款可调负压偏置芯片为功率放大器提供栅极偏置电压。此方案能够覆盖14~70 V工作电压范围、60 A以内负载能力的应用需求,最大输出功率可达4000 W。模块内部芯片采用封装器件,结构上采用金属密封盒体设计,满足气密性要求,保证可靠性。经试验验证,该模块在50 V工作电压下为功率放大器提供漏极调制电压及栅极偏置电压功能、性能良好,且栅、漏电压上电时序可控,输出上升时间和下降时间分别为12.3 ns和38.4 ns,符合设计预期。

用于功率放大器的随温度可调负压偏置电路

设计了一种应用于GaN功率放大器栅极调制的随温度可调负压偏置电路。电路由电压基准模块、温度传感器模块、比较器阵列以及误差放大器及其对应的功率管与反馈电阻等组成,通过基准电压与温度传感器输出电压的比较,输出数字控制信号到反馈电阻中的可变电阻模块,改变可变电阻阻值进而改变电路输出电压,实现芯片电压随温度可调。电路结构简单、易于实现、应用方便,同时电路中引入了修调电阻结构,极大提高了基准输出精度。电路芯片面积为1.10 mm×0.64 mm,采用0.5μm CMOS工艺进行了流片并完成了后期测试验证。结果表明,芯片可实现输出电压的随温度可调,有效解决了GaN功率放大器在相同的栅极偏置电压下输出功率随温度升高而减小的问题。

X波段60W高效率GaN HEMT功率MMIC

研制了一款采用0.25μm GaN功率MMIC工艺研制的X波段高效率功率放大器芯片。芯片采用三级放大拓扑结构设计。末级匹配电路采用电抗匹配方式兼顾输出功率和效率,同时优化驱动级和末级管芯栅宽比以及级间匹配电路,降低驱动级管芯电流。通过这两种技术途径有效提高芯片的功率附加效率。输入级和级间匹配电路采用有耗匹配方式,扩展工作带宽以及提高稳定性。芯片在8~12GHz频带范围内漏压28V,脉宽100μS,占空比10%工作条件下输出功率达到47.5~48.7dBm,功率增益大于20dB,功率附加效率40%~45%。芯片面积3.5mm×3.8mm,单位面积功率密度为5.57 W/mm2,连续波条件下热阻为1.7K/W。

Ku波段20W GaN功率MMIC

报道了一款采用三级放大结构的Ku波段高效率GaN功率放大器芯片。放大器设计中通过电路布局优化改善功放芯片内部相位一致性,提高末级晶胞的合成效率,最终实现整个放大器功率及效率的提升。经匹配优化后放大器在14.6~17.0GHz频带内脉冲输出功率大于20 W,功率附加效率大于36%,最高39%。功率放大器芯片采用0.25μm GaN HEMT 101.6mm(4英寸)圆片工艺制造,芯片尺寸为2.3mm×1.9mm。

C波段GaN固态功放及其功率合成器研制

介绍了一种C波段高功率高效率GaN固态功率放大器及其径向同轴功率合成器研究成果,基于该功率合成器设计出一种C波段输出功率110 W(CW)、效率40%的高效率GaN功率放大器。实验测试结果:表明采用四路C波段30 W GaN功放径向同轴功率合成方法,其功率合成效率达93%,解决了实际工程应用中C波段高功率微波功率放大器的高效率问题,为下一步研制更高性能高效率高功率固态功率放大器探索出一种可行的技术方法。

脉冲调制模式GaN功放电压过冲的机理研究

脉冲调制GaN功率放大器已大量应用于雷达及通信系统,随着技术的发展,脉冲功放的开关速度和功率量级不断提高。由于线路和器件内部分布电感的存在,关断时漏极电流的快速变化会感应产生较大的电压尖峰,严重时会引起功放漏极击穿。文中以大功率GaN脉冲功放管为例,研究了电压尖峰的产生机理。经理论分析推算、仿真设计、实测验证,研究出了抑制电压过冲的有效措施。

一种新型Ku频段硅基氮化镓多通道功率MMIC

基于降低成本和提高集成度的目的,研制了一款采用0.1μm硅基氮化镓(GaN)工艺的Ku频段多通道功率放大芯片。芯片集成了两路相同设计的功率放大通道和两路无源射频直通通道。功率放大通道采用三级放大的拓扑结构。增加了奇偶模振荡消除电路以提高功放稳定性;针对Si基GaN工艺的特点,在功放通道末级输出匹配网络提出了一种新型设计方案以提高网络的耐压能力。各射频通道之间采用接地线隔离技术以提高通道间的隔离度。芯片的功放单通道在14~17 GHz范围内,在漏压为14 V、脉冲占空比10%的工作条件下,饱和输出功率大于40 dBm,功率附加效率大于35%。双功放通道幅度一致性小于±0.15 dB,相位一致性小于3°。芯片尺寸为3.5 mm×2.85 mm。