S波段基于GaN HEMT的宽带内匹配高功率器件的研制

摘要

第三代半导体材料GaN以其宽禁带，抗高压，电流密度大，电子饱和速度高以及导热性良好等优异的电学和化学特性，逐渐进入了大家的视野。随着GaN HEMT器件材料、工艺以及结构的发展，GaN HEMT成为当前制作微波功率放大器件的首选材料。基于GaN HEMT的微波内匹配功率器件具有高工作电压、高输出功率、宽频带、体积小和损耗小等特点，成为当前各国微波功率领域的重要研究对象，广泛用于相控阵雷达等军事和商业领域。本文目标是研制高性能的基于GaN HEMT的功率放大器，开展了S波段内匹配功率合成放大器的研究工作并最终实现。
　　本文针对HEMT微波功率放大器的技术特点，研究了匹配电路的电路结构、进行电路优化、电路稳定性分析等关键技术，做了详实的研究和理论分析。建立了比较完整的电路设计流程。通过load-pull负载牵引的方法测量得到该器件在2.8GHZ频率点附近的最佳输入输出阻抗，应用Smith原图匹配法，借助ADS软件设计了内匹配网络和偏置电路。
　　成功研制了S波段内匹配Wilkinson功率合成放大器:当偏置条件为Vgs=-2.9V、Vds=32V时，在2.7-2.9GHz的工作频带内，小信号S参数测试，得到线性增益S21为8.2-9.3dB，输入输出驻波比小于2;大信号功率测量得到，在工作频率为2.8GHz时，饱和输出功率大于60W，最大功率附加效率为37.5％。

目录

摘要

引言

1 绪论

1．1 GaN HEMT功率放大器的研究背景

1．2 本课题的研究意义和主要内容

2 微波功率放大器设计基础

2．1 GaN HEMT功率器件的工作原理

2．2 功率放大器的主要指标

2．3 功率放大器的几种工作状态

2．4 内匹配功率放大器的设计流程

3 阻抗匹配理论

3．1 传输线理论

3．1．1 传输线的功率考虑

3．1．2 功率放大器稳定性分析

3．2 阻抗匹配技术

3．2．1 集总参数阻抗匹配电路

3．2．2 微带线型阻抗匹配电路

3．2．3 管芯性能分析和阻抗测量

3．2．4 输入端阻抗匹配电路

4 功率合成与分配理论

4．1 Wilkinson功分器工作原理

4．2 功分器的技术指标

4．3 Wilkinson功分器的设计

5 内匹配偏置电路分析与设计

5．1 偏置电路设计准则

5．2 本文偏置电路的设计

6 内匹配功率放大器的版图设计与测试

6．1 GaN HEMT器件阻抗测量

6．1．1 动态阻抗法

6．1．2 大信号S参数法

6．1．3 负载牵引法

6．2 内匹配模块设计和制作

6．2．1 匹配原理图

6．2．2 匹配电路中无源器件的实现

6．3 功率放大器测试系统的搭建

6．4 功率测试

7 结论

参考文献

致谢

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