GaN HEMT微波功率器件的内匹配模块研制

论文摘要

GaN材料以其禁带宽度宽（3.4ev），耐高压，电子饱和速度高，电流密度大稳定性和导热性好等优良特性成为目前制作微波功率器件的首选材料[1]。作为继Si、GaAs之后的第三代半导体材料，以其为基础所制作的器件和模块、电路在射频微波，大功率密度，小体积化设备等领域有着不可限量的前途和未来。基于GaN的微波内匹配模块具有高工作电压、高输出功率、频带宽、损耗小、效率高、体积小、抗辐照等特点，已成为当前发展各种高科技武器的重要研究对象，并广泛的用于军事和商业。在这种背景下本文对GaN HEMT器件的内匹配电路进行了研究。本论文对象为自主研制的SiC衬底GaN HEMT微波功率器件，对其工艺制造，直流以及微波功率特性做了详尽的分析，并对该器件在所需微波频段工作的阻抗及其相应匹配网络做了细致的研究和详实的理论分析。所用器件栅长为0.35μm，栅宽为12×125μm，在+1V的栅压下，器件饱和电流为1.5A。器件的小信号特性采用Agilent8364B测量获得：电流增益决定的特征频率ft为30GHz，电压增益决定的截止频率fmax为39GHz。采用load-pull负载牵引的方法测量得到该器件在5.5GHz频率点附近的最佳功率参数的输入和输出阻抗，并以此为基础采用经典的Smith原图匹配法和ADS软件结合设计制作了内匹配网络和偏置电路。以威尔金森功分器为功率输入和合成手段，将2个3mm SiC衬底的GaNHEMT器件进行了内匹配模块的功率合成。模块由HEMT器件、Wilkinson功率合成/分配器、偏置电路和T型集总元件匹配电路构成。为了确保器件的稳定工作，我们针对性的设计了RC稳定网络。在连续波的条件下（直流偏置电压为Vds=25V，Vgs=-3.0V），内匹配模块在5.5GHz频率下最大输出功率为40dBm，最大效率为30%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 GaN 功率器件和模块的发展简介
• 1.2 本论文任务
• 第二章 AlGaN/GaN HEMT 器件概述
• 第三章 GaN HEMT 微波功率器件的制作
• 3.1 工艺流程
• 3.2 GaN HEMT 微波功率器件制作的关键工艺
• 3.2.1 欧姆接触
• 3.2.2 肖特基栅
• 3.2.3 空气桥互连
• 3.3 GaN HEMT 微波功率器件的测试
• 第四章 微波阻抗匹配理论
• 4.1 微波传输理论
• 4.1.1 阻抗匹配理论
• 4.1.2 微波传输下的匹配电路
• 4.2 微波电路阻抗匹配技术原理
• 4.2.1 功率匹配简介
• 4.2.2 射频/微波匹配原理
• 4.2.3 匹配电路
• 第五章 功率分配器与合成器
• 5.1 功率分配器的基本原理
• 5.1.1 功率分配器的技术指标
• 5.1.2 功率分配器的原理
• 5.2 集总参数元件功率分配器
• 5.2.1 等分型功率分配器
• 5.2.2 比例型功率分配器
• 5.3 分布参数功率分配器
• 5.3.1 微带线功率分配器
• 5.4 本论文威尔金森功分器设计应用
• 第六章 内匹配模块偏置电路
• 6.1 设计的原则
• 6.2 偏执电路的设计稳定性分析
• 6.2.1.晶体管的稳定性分析
• 6.2.3 本论文偏置电路设计和制造
• 第七章 GaN HEMT 器件内匹配电路设计和制造
• 7.1 GaN HEMT 器件阻抗测量
• 7.1.1 动态阻抗法
• 7.1.2 大信号S参数法
• 7.1.3 负载牵引法
• 7.2 Load-Pull 负载牵引法测量
• 7.2.1 测试原理
• 7.2.2 阻抗测试
• 7.3 内匹配模块设计和制作
• 7.3.1 匹配原理图
• 7.3.2 匹配电路中的元器件实现
• 第八章 结论
• 致谢
• 参考文献