GaN高電子遷移率晶體管特性及其功率放大器研究.pdf

1、全球無線通信技術的迅速發(fā)展增加了無線通信系統(tǒng)中收發(fā)機的市場需求，并對收發(fā)機的性能提出了更高的要求。在整個無線通信系統(tǒng)中，功率放大器作為發(fā)射機關鍵組件，其帶寬、輸出功率、效率和工作溫度等性能將嚴重影響系統(tǒng)的整體功能。功率放大器中最主要、最關鍵的部分是功率晶體管。現(xiàn)在用于功率放大器的功率器件主要有硅-橫向擴散金屬氧化物半導體器件、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。作為第三代半導體材料代表，寬禁帶氮化鎵(GaN)材料憑借其優(yōu)異的電學和熱學性能成為研究熱點。寬禁帶半導體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、大功率無限通信系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景。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用是目前功率器件的前沿研究內(nèi)容，具有重要的研究價值和實際意義。本論文即針對GaN高電子遷移率晶體管的特性及其在

3、功率放大器中的應用進行研究。
　　 研究GaN HEMT器件的小信號模型，根據(jù)現(xiàn)有的器件和實驗條件，提出了一種小信號等效電路模型，采用直接提取法提取小信號參數(shù)，給出了詳細的參數(shù)提取流程，對比了模型仿真與實際測量的S參數(shù)，驗證了模型的準確性?；贏gilentADS大信號非線性模型中的EEHEMT1模型，建立了GaN HEMT的大信號非線性模型，并對直流模型進行了改進，引入了膝點電壓隨柵源電壓的變化特性，通過仿真和測量數(shù)據(jù)的對比，

4、證明了模型的準確性和可用性。
　　 設計并實現(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、偏置電路和熱設計等方面對GaN HEMT放大器進行了設計，并制作和測試了實物電路，使用輸入/輸出端的最優(yōu)化匹配網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，獲得高的效率和大的帶寬，驗證了設計的正確性。同時，針對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)絡的結(jié)構(gòu)和設計方法，并給出了設計實例加以

5、驗證。
　　 研究晶體管輸出電容對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破壞零電流切換(ZCS)和零電流導數(shù)切換(ZCDS)條件，輸出電容的增加會導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E類放大器工作頻率的限制，提出了多頻點電感補償法，用以消除大輸出電容的影響，進行了詳細的理論推導。
　　 提出了兩種多頻點微帶補償電路結(jié)構(gòu)，可有效地消除晶體

6、管輸出大電容對工作頻率的限制，并進行了詳細的理論分析和參數(shù)計算公式推導。通過對理想功率放大器的ADS仿真，驗證了微帶補償電路理論分析的正確性?；谠撾娐方Y(jié)構(gòu)設計并測試了一款并聯(lián)電路E類功率放大器，優(yōu)良的測試結(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)，進行了詳細的理論分析和公式推導，并與其他類型E

7、類功率放大器做了詳細的性能對比?；谠撾娐方Y(jié)構(gòu)設計并測試了一款逆E類功率放大器，諧波平衡仿真和實驗測試結(jié)果證明了理論分析的正確性和拓撲結(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)，并制作和測試了工作頻率為3GHz的逆E類功率放大器實例，采用有效扼流電感的諧波抑制作用，利用和補償管芯漏極電感和輸出電容，有效提高了輸出功率和效率，獲得了良好的測試結(jié)果，證明了該電路技術