GaN HEMT器件建模與高效率功率放大器研究.pdf

1、微波功率放大器是無線通信系統(tǒng)的核心器件，隨著通信系統(tǒng)的小型化、可靠性等需求進(jìn)一步提高，高效率功率放大器成為新一代無線通信系統(tǒng)的瓶頸。近年來，氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）以高頻、高功率、高效率、耐高溫等優(yōu)勢，成為國內(nèi)外固態(tài)功率器件研究的熱點(diǎn)。大信號(hào)器件模型是電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提，在優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、提高功率放大器電路性能等方面具有重要意義。因此，本文從模型出發(fā)，針對(duì)高效率功率放大器設(shè)計(jì)理論與方法進(jìn)行了研究。
　　本研究主

2、要內(nèi)容包括：⑴Pi型網(wǎng)絡(luò)E類功率放大器的理論研究。針對(duì)微波晶體管輸出寄生電感，導(dǎo)致傳統(tǒng)E類功率放大器工作頻率、帶寬受限等問題，提出了pi型網(wǎng)絡(luò)E類功率放大器拓?fù)?。推?dǎo)出了該拓?fù)潆娏麟妷旱慕馕霰磉_(dá)式，給出了在最大負(fù)載、最大工作頻率、并聯(lián)諧振、二次諧波并聯(lián)諧振等特殊情況下的波形，計(jì)算出了在寬帶范圍內(nèi)的電流電壓最大值和輸出功率能力，并給出了pi型網(wǎng)絡(luò)E類功率放大器負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的歸一化元件值解析公式。結(jié)果表明，pi型網(wǎng)絡(luò)E類功率放大器相比傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)

3、構(gòu)具有設(shè)計(jì)靈活、輸出功率能力高等優(yōu)勢，為提高功率放大器性能提供了參考。⑵寬帶pi型網(wǎng)絡(luò)E類功率放大器研究。針對(duì)pi型網(wǎng)絡(luò)E類功率放大器設(shè)計(jì)理論與方法，研究了晶體管輸出寄生串聯(lián)電感對(duì)負(fù)載電阻、串聯(lián)電抗、最大工作頻率、負(fù)載電流初始相位的影響。分析結(jié)果表明，優(yōu)化輸出串聯(lián)電感值可以增加負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的帶寬。進(jìn)一步分析了輸出串聯(lián)電感對(duì)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的電導(dǎo)、電納、負(fù)載的相位的變化規(guī)律，利用自建的微波GaN HEMT大信號(hào)等效電路模型，設(shè)計(jì)制作了S波段 pi型網(wǎng)

4、絡(luò)E類功率放大器，在2.5~3.5GHz(33.3％相對(duì)帶寬)下，漏極效率為60%~69%，輸出功率大于35.2dBm，拓寬了工作頻率，且在高頻寬帶下，實(shí)現(xiàn)了高效率功放。⑶寬帶pi型網(wǎng)絡(luò)EF3類功率放大器研究。為進(jìn)一步提高效率，在pi型網(wǎng)絡(luò)E類功率放大器具有寬帶特性的基礎(chǔ)上，基于EF類功率放大器的原理，提出了一種pi型網(wǎng)絡(luò)EF3類功率放大器。在負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，開關(guān)電壓波形滿足E類的零電壓條件與零電壓導(dǎo)數(shù)條件，對(duì)二次諧波進(jìn)行短路，三次諧波開路，

5、抑制了諧波來提高效率?；谧越ǖ腉aN HEMT大信號(hào)可縮放模型，設(shè)計(jì)制作了一款S波段寬帶pi型網(wǎng)絡(luò)EF3類功率放大器，在2.9~4.0GHz(31.8%相對(duì)帶寬)下，漏極效率為67%~77.9%，輸出功率大于37.4dBm，實(shí)現(xiàn)了S波段高頻率下寬帶高效率功放，驗(yàn)證了電路理論和方法設(shè)計(jì)。⑷基于大信號(hào)統(tǒng)計(jì)模型的C波段高功率高效率MMIC研究。針對(duì)GaN器件離散性較大，而傳統(tǒng)建模均只針對(duì)單個(gè)器件建模，無法準(zhǔn)確描述多個(gè)器件特性，導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)準(zhǔn)