0.35-2ghz gan hemt超宽带高效率功率放大器设计

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水量及水温，可以实现教师端对幼儿饮水的实时监控，便于教师查看幼儿每日的饮水信息。

3 系统软件设计与实现
3.1 客户端软件
本系统采用的客户端软件是一个叫做“智能水杯家长服务”的微信小程序，这款小程序提供wifi 连接和数据查看功能。

wifi 连接可搜索附近的智能杯垫，并实时接收幼儿饮水信息。

家长可以通过数据查看功能，了解幼儿每日饮水信息。

3.2 中央控制端软件
本平台是借助微信web 开发者工具开发的一款微信小程序平台——《智能水杯监测系统》。

微信W eb 开发工具是一种基于Native System 系统层的框架。

4 调试与运行
总体样机与软件部分界面图，如图3、图4所示。

5 结论
1）监测全面，低成本
本系统通过集成大量传感器技术，低成本，将幼儿饮水量、饮水温度及室内环境（温度、湿度）等各项数据进行采集。

该系统监测面广泛，监测精准，每一个幼儿都作为一个独立的单元，便于对其进行精准管控。

2）小巧方便，灵活布置
本系统的硬件部分符合幼儿水杯的尺寸，颜色鲜艳，可以增加幼儿
的饮水兴趣。

本产品符合生活实际，采用可拆分结构，以便
于适应各种饮水环境。

安装、操作简单。

图3 系统总揽图 图4 软件部分界面图
3）效率高
本系统可以实时监测饮水量及室内环境，对于饮水不足、水温过高提供警报功能。

系统将采集来的数据通过wifi 发送至微信小程序，以便家长、老师对幼儿饮水量及室内环境实时监测，并做出及时调整，便于幼儿饮水健康、科学成长。

对于以往通过人工手动统计的方式相比，大大节省了劳动力以及提高了测量的准确程度。

河北农业大学大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号2019208）。

设计并制作了一款GaN 基内匹配功率放大器。

管芯选用0.25um 大栅宽GaN HEMT ，放大器用氧化铝陶瓷材料制作匹配电路，实现小型化。

匹配网络中，电容器采用MIM 陶瓷电容实现，电感采用高阻线实现，匹配电路和管芯之间使用金丝键合，功放封装在24mm ×17.4mm 金属管壳。

测试结果显示，该功率放大器在0.35-2GHz 超宽频带内可实现：功率增益26dB ，输出功率大于40dBm ，功率附加效率40%~50%。

引言：功率放大器通常位于射频前端发射机，将输入信号放大到足够功率电平以供天线对外辐射，对系统整机的性能至关重要。

受限于传统半导体材料的性能缺陷，微波功放的输出功率有限。

第三代半导体器件GaN HEMTs 由于其宽禁带特性，具有高击穿电压、高电子迁移率以及适应高温环境等优点，在微波固态功率放大器的领域有着巨大潜力。

随着通信、雷达等系统的发展，对小尺寸大功率固态功放的要求也随之提高。

内匹配形式的功放器件在体积和重量上优于外匹配功放，在研制难度和成本上优于MMIC 功放。

如在超大功率相控阵雷达的应用中，GaN HEMT 内匹配功率模块在具有小体积的同时，还可实现大功率输出，使系统获得更强的远程作战能力。

本文基于0.25 um GaN HEMT 工艺的管芯，研制了一款0.35-2GHz 超宽带功率放大器内匹配模块电路。

测试结果显示，功放饱和输出功率大于10W ，并且全频带具有较高的功率附加效率。

1.功放设计
1.1 管芯的设计
本文基于0.25um GaN HEMT 工艺，其管芯击穿电压120V ，饱和漏电流超过1A/mm ，28V 工作电压下，饱和输出功率密度大于5W/mm 。

按照本文10W 饱和功率输出要求，考虑到超宽带功放输出匹配网络带内匹配难度较大，插损大的问题，管芯需要留出足够的功率余量。

最终针对指标开发要求，决定采用单个5mm 总栅宽，饱和输出功率25W 的功率管芯方案。

图1为功率管芯的版图。

图1 5mm栅宽GaN HEMT管芯版图
0.35-2GHz GaN HEMT超宽带高效率功率放大器设计
成都西科微波通讯有限公司 韩 娜成都嘉纳海威科技有限责任公司 廖学介成都西科微波通讯有限公司 杨秀强 庞玉会
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1.2 管芯的输出阻抗
GaN HEMT 工作在饱和状态有自热效应，会表现出复杂的非线性特性。

负载牵引可以测试管芯的射频参数，饱和输出功率匹配及输出效率匹配时的负载阻抗、输出功率和附加效率等。

负载牵引测试结果包含了器件的自热效应，可以直接用于指导实际设计。

图2为负载牵引测试平台测试框图，表1为Load-pull 测试的最佳功率匹配和最佳效率匹配时的输出阻抗信息，通过折中选择合适的阻抗，并提取出等效输出电阻和等效输出电容分别为15Ω和1.85pF。

图2 负载牵引平台测试框图
表1 功率管芯负载牵引数据
1.3 电路设计
电路主要包括晶体管、直流偏置电路、输入匹配电路、级间匹配电路和输出匹配电路。

电路的原理图如图3
所示。

图3 功放电路原理图
（1）输入匹配电路设计
输入匹配电路将源阻抗匹配到50Ω。

输入匹配电路采用有耗匹配网络，可增加端口匹配并提升稳定性。

另外输入加入了RLC 均衡网络，可降低低频增益，调整带内增益平坦度，改善带宽、驻波。

（2）级间匹配电路设计
级间匹配电路将第一级的输出阻抗匹配到第二级的输入阻抗，实现功率从第一级到第二级的传输。

级间匹配在保证带宽和稳定性的前提下，应尽量减小匹配网络的损耗，提高芯片的工作效率。

（3）输出匹配电路设计
管芯的输出阻抗为15Ω电阻并联1.85pF 电容。

输出匹配采用多级LC 电抗式匹配网络，拓扑电路如图3所示。

输出匹配网络在带内的阻抗匹配
的效果直接影响功放的输出功率、效率、功率增益等性能，是决定设计成败的关键因素。

输出网络引入的插损越小，功放的输出功率和效率性能越优。

2.实验结果
该设计的0.35~2GHzGaN 内匹配功率放大器照片如图4所示。

功放封装在24mm ×17.4mm 金属管壳内，管芯和陶瓷匹配电路之间通过金丝键合连接，输入输出匹配到50Ω阻抗。

功放模块在常温下进行了各项指标的测试。

小信号S 参数性能如图5所示，在0.35~2GHz 的频带内，小信号增益30~33dB ，输入驻波小于1.5。

对功放进行大信号测试，测试结果如图6所示。

饱和带内饱和输出功率大于40dBm ，P AE 全频带40%~50%。

图4 内匹配功放模块照片
图 5 小信号增益和输入驻波
图6 饱和输出功率和功率附加效率
3.结论
基于0.25umGaN HEMT 器件，利用氧化铝陶瓷材料制作内匹配电路，成功开发了一款0.35~2GHz 内匹配功放模块，全频带饱和输出功率大于10W ，效率40%~50%，具有良好的功率和效率性能，在多种电子系统中具有广泛的应用价值。