有源负载牵引测量基于多谐波失真的GaN管芯

氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors)作为宽禁带(WBG)功率半导体器件的代表，器件在高频功率应用方面有巨大的潜力。GaN材料相比于 Si 和SiC 具有更高的电子迁移率、饱和电子速度和击穿电场。

GaN HEMT是III-V族半导体材料，例如砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）已成为频率几百兆赫到百吉赫以上低噪声放大器和高功率放大器中常用的固态技术材料。在高功率应用场景，GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）正逐步取代GaAs金属半导体场效应晶体管（MESFET）放大器，原因就是在高功率应用中GaN HEMT相对于GaAs MESFET具备几个关键优势，其中包括GaN HEMT的击穿电压更高，耐受更高运行温度，平均无故障时间（MTBF）更长，更高频率下寄生信号降低但效率提高。在许多对成本和可靠性较为敏感的应用场景中，以上因素就凸显得尤为重要。

由于材料上的优势，GaN功率器件可以实现更小的导通电阻和栅极电荷(意味着更优秀的传导和开关性能)。因此GaN功率器件更适合于高频应用场合，对提升变换器的效率和功率密度非常有利。

随着无线通信技术的高速发展 ,对无线通信系 统中的核心器件功率放大器提出了更高的要求 ,要 求其具有 更 高 的 功 率 和 效 率 。 由 于 在 大 信 号 激 励条件下 ,功率放大器工作在非线性区域 ,产生基波 压缩特性 、谐波 失 真 和 调 幅 - 调 相 特 性 等 非 线 性 特 征 , 因此传统的小信号 S 参数分析理论已无法满足 目前的大功率器件设计需求 , 针对大信号工作状态 下的功率 器 件 建 模 技 术 成 为 研 究 热 点。  

目 前 ,功率放大器模型主要分为 3 类:物理模型 、紧凑模型 和行为模型 。行为模型无需获取器件或电路的内部 拓扑结构 ,仅针对输入输出信号的映射关系来生成。系统模型 ,有利于快速获取电路模型 ,并且可以精确地描述器件的非线性特性和记忆效应 。

多谐波失真行为(EPHD) 模型基于谐波负载牵 引系统测试 ,分析器件的大信号性能 ,提取出被测器 件的非线性行为模型 , 可以最大程度地揭示被测器 件的实际性能 ,并且弥补 GaN 大功率功放非线性仿 真准确性不足的现状。

针对工作在大信号非线性区 域 内 的 大 功 率 器 件 设 计 的 建 模 需 求 ,  基 于 多 谐 波 失 真 行 为  ( EPHD )  模 型 原 理 , 采用 MT2000 有源时域负载牵引 系 统 对 总 栅 长 为 1 . 25 mm 的 GaN 高 电 子 迁 移 率 晶 体 管  ( High Electron Mobility Transistor , HEMT)  管芯进行在片测试 ,  提取出该管芯在 2 . 7 ~ 3 . 5 GHz 的非线性行为模型 ,  并在 ADS 软件中搭建负载牵引电路 ,  对 该 行为模型的准确性进行了仿真验证 。结果显示 ,  该模型的最佳功率阻抗点 、最佳 效 率 阻 抗 点 、输 出 功 率 和 附 加 效 率 等 均 与测试结果 一 致 ,  验证了该模型的准确性 。  由于该模型在输出端加入了二次谐波负载牵引 ,  在 测 试 频 段 内 能 获 得 10% 左 右的效率提升 ,  可以用于指导有较高效率要求的 GaN HEMT 放大器的电路设计