宽带高效率GaN射频功率放大器设计 留言

对1.5至2.8GHz频率范围的线性功率放大器(RFPA)的需求，推动了输出回退模式下工作的宽带、线性、高效率射频功放的新设计方法的发展。长期以来由于谐波负载阻抗难以控制，导致提高功放效率一直是一个设计难题。由于在微波频率测量波形存在困难，使得设计者很难判断是否在设计中实现了最佳波形整形。在宽频功放设计时，如果一个较低的工作频率的谐波正好还处于宽带的工作频段内，就会进一步增加设计上的挑战。这些固有的困难，再叠加上不精确的设计技术，就会导致费时又昂贵的多轮设计迭代。

本文中描述的设计流程使用了NI公司的AWR设计环境（具体使用的是Microwave Office电路设计软件），并采用测量手段在RFPA上电前就确定匹配网络的输入输出阻抗。还展示了几种解决PA设计中固有问题的方法，以最大限度地减少不确定性，从而实现一次成功的目的。

为了展示该方法的有效性，本文采用了一种市售的采用0.25微米工艺在SiC衬底上制造且已封装好的分立式10瓦GaN高电子迁移率晶体管（型号：Qorvo的T2G 6000528）和20密耳厚的RO4350B印刷电路板。设计并制造出的RFPA峰值功率达到40dBm以上，且峰值漏极效率在工作频带内大于54%。在回退工作模式下，该射频功放实现了30dBc的未校正的线性度，并且在2.0到2.5GHz频带中采用2.5MHz、9.5dB峰均功率比（PAPR）的COFDM信号驱动时，可达不低于34%的漏极效率。

射频功率放大器设计流程

器件选型

首先在进行负载和源牵引、匹配网络综合设计等耗时的任务之前，需要充分开展器件/工艺的选型，以找到满足特定准则的最佳候选器件。基于器件指标给出的频率和功率，可以找到多个候选器件。除了通常考虑的如工作电压V_ds、增益、工作频率和额定功率等，诸如C_ds、C_gs和阻抗变换比等其它参数也被加入到选型考量中。

最佳负载阻抗提取

一旦选定了器件并且获得了对应的非线性模型，就用其确定最优源阻抗和负载阻抗。能实现最大的功率、效率和增益的负载阻抗，或者在这些性能之间达成某种所期望的折衷的负载阻抗，是随频率变化的，并且在一个宽带功放的工作带宽内会有很大变化。通过在Microwave Office软件中同时绘制基频和谐波频率上的负载牵引图，以及采用波形工程方法（基于对晶体管电压和电流波形进行整形的电路设计技术）来确定正确的负载阻抗。

波形工程方法依赖于获得横跨晶体管电流源参考面的器件本征节点的信息，而不是封装后的参考面上的。假定非线性器件模型提供了这些节点的情况下，波形工程方法就可采用人眼观察的方法，分析电压和电流摆幅、限幅切顶和放大器工作的类别。

在本文例子中，负载牵引是在V_ds= +28V和I_dq=90mA条件下进行，扫描了整个工作频带，并提取得到最佳功率和效率的阻抗，其中频带中段的结果在图1中给出。利用功率等高线（P_max）-1dB和漏极效率等高线（eff_max）-5%的交叠区域可定义出一个负载阻抗目标区域。显然这个区域越大，越容易进行阻抗匹配设计。随着工作频带内的频率扫描，图1中的P_max形成一个形状紧凑顺时针旋转的有利于宽带放大器设计的曲线轨迹。在基频上进行负载牵引的原因是由于射频功放的宽带特性导致不在匹配网络中引入传输零点的前提下很难达成最佳的谐波终端负载¹。在2次谐波上也进行了负载牵引分析，并找到了一个可在网络综合中控制的高效率的阻抗区域²。

图1  通过基频负载牵引分析所得出的在工作带宽内的功率（红色）和效率（蓝色）的等高线图。

原文始发于微信公众号（actMWJC）