X波段GaN HEMT单片集成功率放大器设计

论文摘要

GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）具有击穿电压高、功率密度高、输出功率高、工作效率高、工作频率高、瞬时带宽宽、适合在高温环境下工作和抗辐射能力强等优点,其性能远远优于当今主流的GaAs HEMT元件,已成为第三代宽禁带半导体功率元件。基于GaN HEMT研制的单片微波功率放大器具有高工作电压、高输出功率、频带宽、损耗小的特点,已广泛用于相控阵雷达,航空航天,导弹拦截系统中。当发达国家相继研究出高性能的GaN HEMT单片微波集成功率放大器的同时,我们国家开始了自主研发。本文就是基于GaN HEMT通过集总与分布两种不同匹配方法来实现MMIC功率放大器的设计。本文在分析了GaN HEMT元件工作机理及单片微波集成功率放大器设计的基本原理的基础上,分析并运用了两种匹配电路,实现了功率放大器的设计并达到较好的结果。主要工作如下:完成单片微波集成功率放大器的设计。运用功率匹配方法分别采用分布与集总参数设计电路匹配网络。为了提高电路设计的准确性,采用基于全波算法的矩量法（MOMENTUM）对匹配的网络进行仿真分析,MOMENTUM方法能产生准确的电磁模型并考虑耦合和寄生效应,得到了比匹配网络更准确的MOMENTUM元件。运用ADS软件在偏置与输入功率完全相同的情况下分别将对应的MOMENTUM元件带入电路里进行协仿真,可以得到在8-12GHz频段内,采用集总参数匹配方法的电路功率增益可以达到5.8dB,输出功率>37dBm,效率可以达到14.2%;采用分布参数匹配方法的电路带内增益为5.59dB,输出功率>36.55dBm,效率可以达到19%,均符合设计指标。最后根据电路的设计论述了两种匹配方法设计的电路的优缺点,画出了相应的版图结构,并依据实验室现有的工艺水平,提出了实现MMIC功率放大器的工艺方法,并对相关工艺的关键点进行分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 MMIC 功率放大器的应用
• 1.2 国内外研究动态
• 1.3 本课题研究的意义
• 第二章AlGaN/GaN HEMT 元件及无源元件
• 2.1 AlGaN/GaN HEMT 元件
• 2.1.1 HEMT 元件结构
• 2.1.2 HEMT 元件二维电子气及工作原理
• 2.2 MMIC 无源元件
• 2.2.1 微带线
• 2.2.2 电阻
• 2.2.3 电容
• 2.2.4 电感
• 2.3 功率分配合成器
• 第三章 MMIC 功率放大器的设计基础
• 3.1 S 参量描述
• 3.2 MMIC 功率放大器主要技术参数
• 3.3 功率放大器基本原理
• 3.3.1 功率放大器的工作状态
• 3.3.2 阻抗匹配
• 3.3.3 稳定性
• 3.3.4 获得最佳阻抗的方法
• 3.4 Bode-Fano 约束条件
• 第四章 GaN MMIC 功率放大器的实现
• 4.1 集总元件仿真
• 4.1.1 螺旋电感仿真
• 4.1.2 MIM 电容仿真
• 4.1.3 电阻仿真
• 4.2 GaN 元件仿真
• 4.2.1 GaN HEMT 元件模型
• 4.2.2 元件直流特性
• 4.2.3 元件稳定性
• 4.2.4 负载牵引确定最佳阻抗
• 4.3 集总元件电路匹配设计
• 4.3.1 原理图电路仿真
• 4.3.2 Momentum 电路仿真
• 4.4 微带线匹配电路设计
• 4.4.1 原理图仿真
• 4.4.2 Momentum 电路仿真
• 4.5 总结
• 第五章 MMIC 工艺
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献