一种

GaN 宽禁带功率放大器的设计

 0 引言
　　半导体功率器件按材料划分大体经历了三个阶段。第一代半导体功率器件以
Si 双极型功率晶体管为主要代表，主要应用在 S 波段及以下波段中。Si 双极型功
率晶体管在

L 波段脉冲输出功率可以达到数百瓦量级，而在 S 波段脉冲功率则

接近

200W。第二代半导体功率器件以 GaAs 场效晶体管为代表，其最高工作频

率可以达到

30～100 GHz。GaAs 场效应晶体管在 C 波段最高可输出功率接近

100W，而在 X 波段则可达到 25 W。第三代半导体功率器件以 SiC 场效应晶体管
和

GaN 高电子迁移率晶体管为主要代表。同第一代、第二代半导体材料相比，

SiC 和 GaN 半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率以及抗辐
射能力强等优点，特别适合应用于高频、高功率、抗辐射的功率器件，并且可以
在高温恶劣环境下工作。由于具备这些优点，宽禁带半导体功率器件可以明显提
高电子信息系统的性能，广泛应用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、海洋勘
探等重要领域。
　　本文基于

Agilent ADS 仿真软件设计实现一款高效 GaN 宽禁带功率放大器，

详细说明设计步骤并对放大器进行了测试，结果表明放大器可以在

2．3～2．4 

GHz 内实现功率 15W 以上，附加效率超过 67％的输出。
　　

1 GaN 宽禁带功率放大器的设计

　　

1．1 放大器设计指标

　　在

2．3～2．4 GHz 工作频段内，要求放大器连续波工作，输出功率大于

10 W，附加效率超过 60％。
　　

1．2 

功率管

的选择

　　根据放大器要求的设计指标，设计选用的是某进口公司提供的

SiC 基 GaN

宽禁带功率管，其主要性能参数见表

1。

　　

1．3 放大器电路设计

　　图

1 为功率放大器原理框图。图 1 中，IMN＆Bias 和 OMN＆Bias 分别为输

入匹配网络及输入偏置电路和输出匹配网络及偏置电路，

VGS 和 VDS 分别为栅

极

-源极工作电压和漏极-源极工作电压。采取的设计思路是：对功率管进行直流

分析确定放大器静态工作电压；进行稳定性分析和设计；利用源牵引

(Source 

Pull)和负载牵引(Load Pull)方法确定功率管匹配电路的最佳源阻抗 ZS 和最佳负
载阻抗

ZL(ZS 和 ZL 的定义见图 1)；