GaN高電子遷移率晶體管特性及其功率放大器研究.pdf

1、全球無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展增加了無(wú)線通信系統(tǒng)中收發(fā)機(jī)的市場(chǎng)需求，并對(duì)收發(fā)機(jī)的性能提出了更高的要求。在整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)中，功率放大器作為發(fā)射機(jī)關(guān)鍵組件，其帶寬、輸出功率、效率和工作溫度等性能將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的整體功能。功率放大器中最主要、最關(guān)鍵的部分是功率晶體管?，F(xiàn)在用于功率放大器的功率器件主要有硅-橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體器件、砷化鎵、磷化銦和碳化硅材料的器件等，由于受到材料本身物理特性的限制，不能滿足應(yīng)用的需求，發(fā)展新型材料的功率器件迫

2、在眉睫。作為第三代半導(dǎo)體材料代表，寬禁帶氮化鎵(GaN)材料憑借其優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)性能成為研究熱點(diǎn)。寬禁帶半導(dǎo)體GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)器件具有高擊穿電壓、大電流密度、高功率密度、低噪聲及良好的頻率特性，在高效、高頻、寬帶、大功率無(wú)限通信系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。GaN高電子遷移率晶體管物理特性及其在功率放大器中的應(yīng)用是目前功率器件的前沿研究?jī)?nèi)容，具有重要的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際意義。本論文即針對(duì)GaN高電子遷移率晶體管的特性及其在

3、功率放大器中的應(yīng)用進(jìn)行研究。
　　 研究GaN HEMT器件的小信號(hào)模型，根據(jù)現(xiàn)有的器件和實(shí)驗(yàn)條件，提出了一種小信號(hào)等效電路模型，采用直接提取法提取小信號(hào)參數(shù)，給出了詳細(xì)的參數(shù)提取流程，對(duì)比了模型仿真與實(shí)際測(cè)量的S參數(shù)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性?；贏gilentADS大信號(hào)非線性模型中的EEHEMT1模型，建立了GaN HEMT的大信號(hào)非線性模型，并對(duì)直流模型進(jìn)行了改進(jìn)，引入了膝點(diǎn)電壓隨柵源電壓的變化特性，通過(guò)仿真和測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比，

4、證明了模型的準(zhǔn)確性和可用性。
　　 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于GaN HEMT器件的新型寬帶平衡功率放大器，分別從寬帶匹配、寬帶耦合器、偏置電路和熱設(shè)計(jì)等方面對(duì)GaN HEMT放大器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并制作和測(cè)試了實(shí)物電路，使用輸入/輸出端的最優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，獲得高的效率和大的帶寬，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。同時(shí)，針對(duì)GaN HEMT器件輸入、輸出端最佳阻抗特性，研究了分別使用于輸入/輸出端的最優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例加以

5、驗(yàn)證。
　　 研究晶體管輸出電容對(duì)E類功率放大器性能的影響，證明了在微波頻段，晶體管的輸出電容會(huì)破壞零電流切換(ZCS)和零電流導(dǎo)數(shù)切換(ZCDS)條件，輸出電容的增加會(huì)導(dǎo)致放大器效率和輸出功率的下降，輸出電容限制了E類功率放大器的工作頻率。為了消除晶體管大輸出電容對(duì)E類放大器工作頻率的限制，提出了多頻點(diǎn)電感補(bǔ)償法，用以消除大輸出電容的影響，進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)。
　　 提出了兩種多頻點(diǎn)微帶補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)，可有效地消除晶體

6、管輸出大電容對(duì)工作頻率的限制，并進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和參數(shù)計(jì)算公式推導(dǎo)。通過(guò)對(duì)理想功率放大器的ADS仿真，驗(yàn)證了微帶補(bǔ)償電路理論分析的正確性。基于該電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并測(cè)試了一款并聯(lián)電路E類功率放大器，優(yōu)良的測(cè)試結(jié)果證明了該電路結(jié)構(gòu)能有效地提高E類放大器工作頻率，克服晶體管輸出電容對(duì)工作頻率的限制，顯著地提高了放大器的綜合性能。
　　 提出了一種具有有限扼流電感的逆E類功率放大器電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和公式推導(dǎo)，并與其他類型E

7、類功率放大器做了詳細(xì)的性能對(duì)比?；谠撾娐方Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并測(cè)試了一款逆E類功率放大器，諧波平衡仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證明了理論分析的正確性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性。為了使有限扼流電感逆E類功率放大器更好在微波頻段應(yīng)用，提出了有限扼流電感逆E類功率放大器的傳輸線近似結(jié)構(gòu)，并制作和測(cè)試了工作頻率為3GHz的逆E類功率放大器實(shí)例，采用有效扼流電感的諧波抑制作用，利用和補(bǔ)償管芯漏極電感和輸出電容，有效提高了輸出功率和效率，獲得了良好的測(cè)試結(jié)果，證明了該電路技術(shù)