基于Agilent ADS仿真軟件的高效GaN寬禁帶功率放大

　　1.3.3 源牽引與負載牽引分析

　　源牽引/負載牽引分析方法原理：放大器在大信號電平激勵下，通過連續(xù)變換源阻抗/負載阻抗對功率管進行分析，然后在Smith阻抗圓圖上畫出等功率曲線和等增益曲線，并根據(jù)設計要求選擇出最佳源阻抗/最佳負載阻抗準確設計出滿足要求的功率放大器。

　　分析中選取中心頻率f=2.35 GHz。為準確獲取功率管的最佳源阻抗ZS和最佳輸出阻抗ZL，分析過程中遵循效率優(yōu)先的策略，并采取如下步驟：

　　首先，假定ZS(O)=10 Ω進行負載牽引分析獲得ZL(1);然后，根據(jù)ZL(1)進行源牽引分析獲得ZS(1);再根據(jù)ZS(1)進行負載牽引分析得到ZL(2)，…。重復進行源牽引分析與負載牽引分析，直至前后兩次得到的負載阻抗ZL相等或者相差很小為止。

　　圖4為進行源牽引分析和負載牽引分析得到的功率管輸出功率、附加效率(Power Added Efficiency，PAE)等高線圖。圖4中，功率管的附加效率定義為：

　　式中：POUT，PIN和PDC分別為放大器輸出功率、輸入功率和電源消耗功率;ηPAE代表功率附加效率。

　　從圖4中可以讀出功率放大器的最佳源阻抗與最佳負載阻抗分別為ZS=2.1-j6.5 Ω與ZL=13+j7.8 Ω。

　　1.3.4 匹配網(wǎng)絡、偏置電路設計

　　匹配電路主要用來進行阻抗變換，其最終的目的是為了實現(xiàn)最大的功率傳輸。在仿真設計過程中，首先假設是在理想偏置電路的情況下利用取得的最佳源阻抗和最佳負載阻抗進行輸入、輸出匹配網(wǎng)絡設計，然后根據(jù)1/4λ準則進行偏置電路設計，并通過微調電路部分參數(shù)使偏置電路滿足射頻扼流的要求。在Agilent ADS軟件中，為使設計能夠準確模擬真實情況，一般需要在電路設計(基于模型的)之后進行RFMomen-tum優(yōu)化仿真。圖5為Agilent ADS軟件設計的放大器匹配網(wǎng)絡與偏置電路。圖5中，微波電路基板材料選用的是Rogers公司的RT/duroid 6002板材，介電常數(shù)為2.94，厚度為O.254 mm。優(yōu)化仿真過程中發(fā)現(xiàn)：放大器的效率和帶寬是一對矛盾，當效率提高時，帶寬變窄，反之亦然。

　　2 指標測試

　　放大器實物如圖6所示。

　　對設計的寬禁帶功率放大器進行了測試。測試條件是：連續(xù)波工作，漏極電壓VDS=28 V，柵極電壓VGS=-2.5 V。圖7為頻率為2.35 GHz時，放大器輸出功率、附加效率隨輸入功率的變化曲線。由測試結果可知：隨著輸入功率的增大，放大器的輸出功率近似呈線性增大，在26 dBm開始出現(xiàn)飽和;隨著輸入功率的增大，放大器附加效率增大，在27 dBm時達到最大附加效率68.5%。實驗還在2.2～2.6 GHz頻率范圍內(0.5 GHz為步長)測試了放大器的輸出功率和附加效率參數(shù)，測試結果如圖8所示。在2.25～2.5 GHz頻率范圍內，放大器輸出功率在10 W以上，附加效率也超過60%。在2.3～2.4 GHz頻率范圍內，輸出功率超過15 W，附加效率超過67 9/6，放大器滿足設計指標。

　　3 結語

　　利用SiC基GaN寬禁帶功率器件設計制作了S波段10 W功率放大器。試驗測試結果表明所設計的放大器在2.3～2.4 GHz內附加效率在67 9/6以上，也證實了寬禁帶器件高效率、高增益的特點。