X波段60 W高功率高效率功率放大器设计
电子技术应用
徐舒，豆兴昆，方志明，谭小媛
中国电子科技集团公司第五十八研究所
摘要： 基于0.25 μm栅长的GaN HEMT工艺，设计了一款8~12 GHz 60 W高功率放大器。该芯片的末级输出端功率合成网络在Bus-bar总线型的基础上添加并联LC到地枝节，达到优化各路平衡度的目的，在实现高功率输出的同时使芯片整体结构紧凑且易于匹配。采用输入端二次谐波阻抗匹配技术，在不影响输出功率的前提下提升高频效率。输出级匹配结构采用两段串电感并电容匹配的方式，将输出级阻抗匹配至目标阻抗的同时实现较低的匹配损耗。在脉宽100 μs、占空比10%测试条件下，该放大器饱和输出功率在8~12 GHz范围内大于48 dBm，效率大于35%，功率增益为23 dB。芯片尺寸为3.97 mm×5 mm。
中图分类号：TN454 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256307
中文引用格式： 徐舒，豆兴昆，方志明，等. X波段60 W高功率高效率功率放大器设计[J]. 电子技术应用，2025，51(8)：93-97.
英文引用格式： Xu Shu，Dou Xingkun，Fang Zhiming，et al. Design of X-band 60 W high power and high efficiency power amplifier[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(8)：93-97.
中文引用格式： 徐舒，豆兴昆，方志明，等. X波段60 W高功率高效率功率放大器设计[J]. 电子技术应用，2025，51(8)：93-97.
英文引用格式： Xu Shu，Dou Xingkun，Fang Zhiming，et al. Design of X-band 60 W high power and high efficiency power amplifier[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(8)：93-97.
Design of X-band 60 W high power and high efficiency power amplifier
Xu Shu，Dou Xingkun，Fang Zhiming，Tan Xiaoyuan
58th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation
Abstract： An 8~12 GHz 60 W high power amplifier is proposed in this paper based on the 0.25 μm GaN HEMT. The output power synthesis network adds parallel LC to the ground branchesbased on the Bus-bar synthesis network to optimize the balance of each pipe core, which makes the overall structure of the chip is compact and easy to match. The input second harmonic impedance matching technology is adopted to improve the high frequency band without affecting the output power. The output stage matching structure adopts two-stage series inductance and capacitance matching, which matches the output stage impedance to the target impedance and achieves low matching loss. Under the test conditions of 100 μs pulse width and 10% duty cycle, the saturation output power of the amplifier is greater than 48 dBm in the 8~12 GHz frequency band, the efficiency is greater than 35%, the power gain is 23 dB, and the chip size is 3.97 mm×5 mm.
Key words : power amplifier；GaN；high power；input second harmonic match；multiplex synthesis
引言
随着电子通信技术的发展，高功率高效率放大器作为射频前端系统的关键模块，广泛应用于卫星通信及雷达等系统，其输出功率及效率特性决定了整个系统的性能。GaN功率放大器因有较高功率密度，更高的输出功率、工作带宽及可靠性而被广泛使用[1-4]。Dani等人[5] 2014年使用引入输出端二次谐波匹配枝节的方式设计了一款X波段GaN功放。该放大器在引入二次谐波匹配枝节后，在10.5 GHz频段处的效率从48.5%提升至70%。然而采用输出端二次谐波调谐的方式对输出功率有较大损失，并且工作频带受限。2020年，Kamioka等人使用0.15 μm栅长的GaN工艺，设计了一款输出功率达60 W的功率放大器，频段覆盖8.5~10 GHz，效率达50%[6]，然而功率增益过低，仅为11 dB，芯片尺寸较大。本文基于0.25 μm GaN工艺设计了一款8~12 GHz高功率高效率放大器，该放大器采用输入二次谐波调谐技术，在保证输出功率的前提下，实现X波段工作频带内功率附加效率的提升，在8~12 GHz范围内达到60 W饱和输出功率和38%效率。输出级功率合成网络在Bus-bar合成网络的基础上添加并联LC到地枝节优化各路平衡度，同时使芯片整体结构紧凑且易于匹配，最终芯片面积仅为3.97 mm×5 mm。
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作者信息：
徐舒，豆兴昆，方志明，谭小媛
（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214072）
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