摘 要 在过去的十多年中，氮化镓（GaN）[1]在射频和微波高功率放大器设计方面固有的优势已经彻底地得到论证，随着国内外GaN工艺的成熟及其相关产品的问世，GaN展现出良好的市场前景[2]。本文基于国产SiC衬底的0.35um GaN工艺采用两级放大结构设计了一款2-6GHz的宽带高效率GaN MMIC 功率放大器。通过采用宽带带通匹配综合电抗补偿的技术[3]，该款功率放大器在2-6GHz范围内，输出功率大于36dBm，增益大于21dB，功率附加效率（PAE）大于41%。
关键词 微波单片集成电路,ADS仿真，GaN, 宽带功率放大器，宽带带通匹配综合电抗补偿, 高效率
1 引言
随着无线通信系统的发展，作为无线发射机中的关键部件的功率放大器的设计提出了越来越高的要求，已经成为了一项研究热点。现代无线通信系统为了实现远距离通信，要求输出功率尽可能的大，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间，工作带宽内可以放大信号。本文的功率放大器的设计具有优良的功率附加效率、增益和饱和输出功率。
2 GaN MMIC宽带功率放大器的设计
2.1 设计方案
分析技术指标的要求，结合该工艺栅长为0.35μm 的GaN HEMT功率输出能力以及增益大小采用如下图1所示的电路拓扑结构。
其中，第一级为一路、单路单胞栅宽400μm(4指，单指栅宽100μm)的GaN HEMT；第二级为两路、单路一个单胞栅宽400μm (4指，单指栅宽100μm)的GaN HEMT。根据该工艺下GaN的功率输出能力为5W/mm，末级栅宽8*100um，完全能实现满足输出功率要求，另外第一级放大采用AB类工作状态下，可以保证大增益，末级工作在深AB类下可以保证较大的PAE，较高的增益和效率。
2.2 GaN MMIC宽带功率放大器的详细设计
2.2.1 器件建模
器件建模是仿真应用的前提，也是MMIC设计重要的环节。本文基于国产工艺采用中电自主建立的GaN HEMT缩放电路模型[4]，设计宽带GaN MMIC功率放大器。其模型如下图2 所示。
2.2.3 负载牵引和源牵引
在选定的静态工作点下，运用ADS 自带的Loadpull 和Sourcepull [5-6]模板对图1中每一级、每一路的GaN HEMT 做负载牵引和源牵引，频率选择为工作频带的中心频率4GHz。图4 给出了基波牵引的结果。
以上结果是在假设第一级HEMT单路输入功率为15dBm、第二级HEMT单路输入功率为27dBm的合理假设情况下得出的。综合考虑输出功率和PAE，以上负载牵引和源牵引的最佳负载阻抗和最佳源阻抗选择在等Pout圆中心和等PAE圆中心的中间位置，具体值如表1所示。
作者：李支庭