基于Agilent ADS仿真软件的高效GaN宽禁带功率放大

　　1.3.3 源牵引与负载牵引分析

　　源牵引/负载牵引分析方法原理：放大器在大信号电平激励下，通过连续变换源阻抗/负载阻抗对功率管进行分析，然后在Smith阻抗圆图上画出等功率曲线和等增益曲线，并根据设计要求选择出最佳源阻抗/最佳负载阻抗准确设计出满足要求的功率放大器。

　　分析中选取中心频率f=2.35 GHz。为准确获取功率管的最佳源阻抗ZS和最佳输出阻抗ZL，分析过程中遵循效率优先的策略，并采取如下步骤：

　　首先，假定ZS(O)=10 Ω进行负载牵引分析获得ZL(1);然后，根据ZL(1)进行源牵引分析获得ZS(1);再根据ZS(1)进行负载牵引分析得到ZL(2)，…。重复进行源牵引分析与负载牵引分析，直至前后两次得到的负载阻抗ZL相等或者相差很小为止。

　　图4为进行源牵引分析和负载牵引分析得到的功率管输出功率、附加效率(Power Added Efficiency，PAE)等高线图。图4中，功率管的附加效率定义为：

　　式中：POUT，PIN和PDC分别为放大器输出功率、输入功率和电源消耗功率;ηPAE代表功率附加效率。

　　从图4中可以读出功率放大器的最佳源阻抗与最佳负载阻抗分别为ZS=2.1-j6.5 Ω与ZL=13+j7.8 Ω。

　　1.3.4 匹配网络、偏置电路设计

　　匹配电路主要用来进行阻抗变换，其最终的目的是为了实现最大的功率传输。在仿真设计过程中，首先假设是在理想偏置电路的情况下利用取得的最佳源阻抗和最佳负载阻抗进行输入、输出匹配网络设计，然后根据1/4λ准则进行偏置电路设计，并通过微调电路部分参数使偏置电路满足射频扼流的要求。在Agilent ADS软件中，为使设计能够准确模拟真实情况，一般需要在电路设计(基于模型的)之后进行RFMomen-tum优化仿真。图5为Agilent ADS软件设计的放大器匹配网络与偏置电路。图5中，微波电路基板材料选用的是Rogers公司的RT/duroid 6002板材，介电常数为2.94，厚度为O.254 mm。优化仿真过程中发现：放大器的效率和带宽是一对矛盾，当效率提高时，带宽变窄，反之亦然。

　　2 指标测试

　　放大器实物如图6所示。

　　对设计的宽禁带功率放大器进行了测试。测试条件是：连续波工作，漏极电压VDS=28 V，栅极电压VGS=-2.5 V。图7为频率为2.35 GHz时，放大器输出功率、附加效率随输入功率的变化曲线。由测试结果可知：随着输入功率的增大，放大器的输出功率近似呈线性增大，在26 dBm开始出现饱和;随着输入功率的增大，放大器附加效率增大，在27 dBm时达到最大附加效率68.5%。实验还在2.2～2.6 GHz频率范围内(0.5 GHz为步长)测试了放大器的输出功率和附加效率参数，测试结果如图8所示。在2.25～2.5 GHz频率范围内，放大器输出功率在10 W以上，附加效率也超过60%。在2.3～2.4 GHz频率范围内，输出功率超过15 W，附加效率超过67 9/6，放大器满足设计指标。

　　3 结语

　　利用SiC基GaN宽禁带功率器件设计制作了S波段10 W功率放大器。试验测试结果表明所设计的放大器在2.3～2.4 GHz内附加效率在67 9/6以上，也证实了宽禁带器件高效率、高增益的特点。