宽带射频功放晶体管非线性输出电容研究

分析了GaN(氮化镓)HEMT(高电子迁移率晶体管)非线性输出电容Cout与宽带功放效率的关系。通过建立非线性电路模型分析得出,利用Cout控制漏极端电压电流波形能减轻对谐波阻抗的精确要求,使高效率阻抗区域扩大化,从而使宽带功放匹配变为可能。选用GaN HEMT器件设计2~3 GHz频段射频功率放大器,实测结果为该放大器最高漏极效率(DE)为81.7%,功率附加效率(PAE)78.3%,功率为40.75 dBm。在1 GHz带宽内PAE也可达65%以上。实测结果验证了原理分析的可靠性,提出的方法不仅可用于宽带GaN功率放大器设计,对其他类型的微波功放设计同样有借鉴作用。     

Ku波段200 W GaN功率放大器的设计与实现

研制了一款工作在Ku波段的大功率GaN功率放大器,功率放大器采用4个栅宽为9.6 mm的GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）进行功率合成,总栅宽为38.4 mm。以提取的小信号S参数和大信号负载牵引结果为依据,采用ADS仿真软件进行匹配电路仿真设计。该GaN功率放大器在14.5～15.0 GHz频率范围内的输出功率（Pout）大于200 W,功率增益（Gp）大于7 d B,最高功率附加效率（ηPAE）达到43%。     

采用GaN HEMT的多尔蒂功率放大器

据报道,日本电气通信大学发表了采用GaN HEMT器件制作的多尔蒂功率放大器。该功率放大器在1.9 GHz下,饱和输出功率31 dBm,功率附加效率(PAE)为58%。输入补偿10 dB时,获得24 dBm的输出功率和PAE31%良好的     

S波段T/R组件用GaN功率放大器链的设计(英文)

基于Si衬底AlGaN/GaN HEMT器件的功率放大器链是下一代S波段相控阵雷达T/R组件的核心部分。研制的S波段放大器链主要由驱动放大器和功率放大器组成,驱动放大器与功率放大器都是基于Si衬底AlGaN/GaN HEMT器件的混合集成电路。基于混合集成电路的放大器链获得了高的输出峰值功率和附加功率(PAE),整个放大器链输出功率在800 MHz频率范围内大于20 W,附加效率(PAE)大于50%。     

基于AlGaN/GaN HEMT的C波段功率放大器混合集成电路的设计

我们设计研制了一个基于Al GaN/GaN HEMT大功率放大器的混合集成电路.这个电路包含了1个10×120μm的HEMT晶体管,以及输入和输出匹配电路.在偏置条件为Vds=40 V,Ids=0.26 A时,输出连续波饱和功率在5.4 GHz达到37 dBm(5 W),最大的PAE为35.6%.在偏置条件为Vds=30 V,Ids=0.22 A时输出连续波饱和功率在5.4 GHz达到36.4dBm(4.4 W),最大的PAE为42.7%.     

一个8GHz基于AlGaN/GaN HEMT的内匹配电路

论述了一个在8 GHz下基于AlGaN/GaN HEMT功率放大器HMIC的设计、制备与测试.该电路包含了1个10×100 μm的AlGaN/GaN HEMT和输入输出匹配电路.在偏置条件为VDS=40 V、IDS=0.16 A时输出连续波饱和功率在8 GHz达到36.5 dBm(4.5 W),PAE为60%,线性增益10 dB;在偏置条件为VDS=30 V、IDS=0.19 A时输出连续波饱和功率在8 GHz达到35.6 dBm(3.6 W),PAE为47%,线性增益9 dB.     

2.65GHz双级高效、高增益F类开关功率放大器设计

在F类功率放大器的基本工作原理和设计方法的基础上,采用开路枝节微带线匹配的方法实现了F类功率放大器所需要的谐波阻抗匹配,并采用GaN HEMT晶体管设计制作了应用于无线通讯领域的双级高效高增益F类功率放大器。在2.65 GHz工作频率,该功率放大器具有65.69%功率附加效率(PAE)、20 dB的功率增益和10 W输出功率。该功率放大器的实测结果与电路仿真结果相吻合,证明了使用该方法设计F类功率放大器的有效性。     

Ku波段GaN MMIC高线性功率放大器设计

设计了一款Ku波段工作频率为13.0~15.5GHz的GaN MMIC高线性功率放大器,采用0.25μm GaN HEMT工艺,电路采用两级放大器的结构。通过两种不同的末级匹配网络的设计,对比分析匹配网络的设计对功率放大器效率与线性度的影响。一种是匹配到最佳功率附加效率(PAE)的末级匹配网络,一种则是匹配到最佳线性度的末级匹配网络(用最佳三阶交调产物与载波比值(IM3)来表示),级间和输入级匹配网络也尽量达到低损耗、高线性指标,从而提高整体电路的线性度,并尽量使得效率不恶化。测试结果表明,功率放大器的最大输出功率可以达到37.5dBm,匹配到最佳PAE的功率放大器功率附加效率均大于32%,最大可以达到36%,匹配到最佳IM3的功率放大器PAE低了2到4个百分点,线性度指标IM3则高了1到2个dBc。该测试结果表明,对于高线性功率放大器,末级匹配网络可以在最佳PAE点的基础上适当地向最佳IM3点靠近,以逼近更好的线性度指标,但若距离最佳IM3太近,PAE则会有较大的恶化。     

一种V波段高效率5W GaN功率放大器MMIC

基于0.13μm SiC基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,设计了一款V波段GaN功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。该功率放大器MMIC采用三级放大拓扑结构以满足增益需求;使用高低阻抗微带传输线进行阻抗匹配,通过威尔金森功分器/合成器完成功率放大器的末端功率合成;通过对晶体管宽长比的设计与多胞晶体管的合成,实现了功率放大器的高功率稳定工作和高效率输出。经过测试,在59～61 GHz频率范围内,在占空比为20%、脉宽为100μs时,该功率放大器MMIC的饱和输出功率达到37 dBm以上,功率附加效率(PAE)大于21.1%,功率增益大于17 dB;连续波测试条件下输出功率大于36.8 dBm, PAE大于21%。该设计在输出功率和PAE上具有一定的优势。     

星载高可靠性Ku波段GaN功率放大器芯片

基于星载高可靠性的应用背景，采用0.20μm GaN HEMT工艺研制了一款12 V工作电压的Ku频段功率放大器芯片。利用电热结合的分析方法，确定了管芯结构及工作电压。基于Load-pull测试获得GaN HEMT管芯的最佳输出功率和最佳效率阻抗，设计了一种带谐波匹配的高效率输出匹配电路，并通过引入有耗匹配，研制出了低压稳定的级间匹配电路。芯片面积为2.8 mm×2.6 mm，管芯漏极动态电压仿真峰值低于30 V，实测结温小于80℃，满足宇航Ⅰ级降额要求。功率放大器在17.5～18.0 GHz、漏压12 V（连续波）条件下，典型饱和输出功率2.5 W，附加效率38%，功率增益大于20 dB，线性增益大于27 dB，满足星载高效率要求。     

Ku波段20W AlGaN/GaN功率管内匹配技术研究

文章的主要目的是研究第三代半导体AlGaN/GaN功率管内匹配问题。以设计Ku波段20WGaN器件为例,研究了内匹配电路的设计、合成以及内匹配电路的测试,实现了GaN功率HEMT在Ku波段20W连续波输出功率的内匹配电路,并使整个电路的输入、输出电路阻抗提升至50Ω。最终所研制的AlGaN/GaNKu波段内匹配功率管在11.8GHz～12.2GHz频带内,输出功率大于20W。在12GHz功率增益大于5dB,功率附加效率29.07%,是目前国内关于GaN功率器件在Ku波段连续波输出的最高报道。     

基于氮化镓器件的Boost PFC设计与损耗分析

基于硅(Si)器件的PFC Boost已被广泛研究。由于Si器件特性已经被使用接近极限,基于其的变换器特性也很难再提高。氮化镓(GaN)器件的逐渐普及为变换器性能提高到一个新的等级提供了可能。本文系统介绍一款基于GaN器件的Boost PFC的设计,从主电路设计、效率分析到控制原理。最终选用NCP1654 作为电路控制器并采用GaN HEMT及SiC二极管实现了一款300W 200kHz的PFC,最高理论效率达到98.1%。通过仿真和实验验证了系统设计,展现了宽禁带器件在提升系统效率方面的潜力。     

Nonlinear device model of microwave power GaN HEMTs for high power-amplifier design

This paper presents a nonlinear equivalent circuit model of microwave power GaN high electron-mobility transistors (HEMTs), amenable for integration into commercial harmonic balance or transient simulators. All the steps taken to extract its parameter set are explained, from the extrinsic linear elements up to the intrinsic nonlinear ones. The predictive model capabilities are illustrated with measured and simulated output power and intermodulation-distortion data of a GaN HEMT. The model is then fully validated in a real application environment by comparing experimental and simulated results of output power, power-added efficiency, and nonlinear distortion obtained from a power amplifier.     

An X-band four-way combined GaN solid-state power amplifier

An X-band four-way combined GaN solid-state power amplifier module is fabricated based on a self-developed AlGaN/GaN HEMT with 2.5-mm gate width technology on SiC substrate. The module consists of an Al-GaN/GaN HEMT, Wilkinson power hybrids, a DC-bias circuit and microstrip matching circuits. For the stability of the amplifier module, special RC networks at the input and output, a resistor between the DC power supply and a transistor gate at the input and 3λ/4 Wilkinson power hybrids are used for the cancellation of low frequency self-oscillation and crosstalk of each amplifier. Under V_(ds)= 27 V, V_(gs) = -4.0 V, CW operating conditions at 8 GHz, the amplifier module exhibits a line gain of 5 dB with a power added efficiency of 17.9%, and an output power of 42.93 dBm; the power gain compression is 2 dB. For a four-way combined solid-state amplifier, the power combining efficiency is 67.5%. It is concluded that the reduction in combining efficiency results from the non-identical GaN HMET, the loss of the hybrid coupler and the circuit fabricating errors of each one-way amplifier.     

高效率GaN MMIC优化技术的研究

使用国产SiC衬底的GaN HEMT外延材料实现了大功率、高效率的GaN HEMT器件,建立了大信号模型,利用ADS软件建立了GaN MMIC的拓扑,仿真了驱动比对电路性能的影响.仿真结果表明,驱动比由2(电路1)增加到3(电路2),效率提高10%.工艺上分别实现了两种电路,测试表明,效率由25%(电路1)提高到30%(电路2),验证了仿真结果.电路2在测试频率为8-10 GHz时,脉冲输出功率大于21 W,增益大于15 dB,效率大于35%;频率为8 GHz时,输出功率最大值为25 W,效率最大值为45%,具有较好的性能.     

Demonstration of 13.56-MHz class-E amplifier using a high-Voltage GaN power-HEMT

A 13.56-MHz class-E amplifier with a high-voltage GaN HEMT as the main switching device is demonstrated to show the possibility of using GaN HEMTs in high-frequency switching power applications such as RF power-supply applications. The 380-V/1.9-A GaN power HEMT was designed and fabricated for high-voltage power-electronics applications. The demonstrated circuit achieved the output power of 13.4 W and the power efficiency of 91% under a drain-peak voltage as high as 330 V. This result shows that high-voltage GaN devices are suitable for high-frequency switching applications under high dc input voltages of over 100 V.     

X波段30W内匹配GaN HEMT功率器件

采用自主研发的SiC衬底GaN HEMT外延材料,研制了总栅宽为2mmGaN HEMT,利用负载牵引系统测试器件的阻抗特性,得出该器件源漏阻抗实部分别为6Ω和22Ω;设计并制作了四管芯合成器件的阻抗匹配网络,在频率为8GHz下测试,饱和输出功率为30W,功率增益在6dB以上,功率附加效率为38%,该结果目前在国内为首次报道。     

Highly Linear and Efficient Microwave GaN HEMT Doherty Amplifier for WCDMA

A highly linear and efficient GaN HEMT Doherty amplifier for wideband code division multiple access (WCDMA) repeaters is presented. For better performance, the adaptive gate bias control of the peaking amplifier using the power tracking circuit and the shunt capacitors is employed. The measured one‐carrier WCDMA results show an adjacent channel leakage ratio of ?43.2 dBc at ±2.5‐MHz offset with a power added efficiency of 40.1% at an average output power of 37 dBm, which is a 7.5 dB back‐off power from the saturated output power.     

P波段3kW GaN功率器件的研制

介绍了一款高压高功率GaN功率器件及其匹配电路。基于国内高压GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的研究基础,选取了GaN HEMT芯片,确定了器件的总栅宽。根据GaN HEMT芯片阻抗,器件内部进行了LC谐振匹配设计,外部采用双边平衡同轴巴伦进行推挽匹配设计。散热方面通过改善封装管壳热沉材料提高热导率。最终成功研制出高压、3 kW的GaN功率器件,该器件在工作电压为60 V、工作频率为0.35~0.45 GHz、脉宽为300μs、占空比为10%条件下,频带内输出功率大于3 kW、功率增益大于16 dB、功率附加效率大于71%、抗负载失配能力不小于10∶1。