内匹配型Ku波段大功率器件的设计与实现

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主要研究了Ku波段微波功率器件内匹配技术,解决了Ku波段GaAs微波大功率器件实现的技术途径,成功研制出内匹配型Ku波段(14.0~14.5GHz)15W大功率器件。一个内匹配型GaAs功率器件由管芯、管壳和输入、输出内匹配电路组成,即将有源管芯与无源微波匹配元件封装在标准化的管壳内,在一定的微波频段内实现功率放大。首先,在管芯的工艺设计过程中,利用挖槽控制沟道厚度,并采用了坡度槽、栅偏源结构,有效改善了器件击穿电压。在器件钝化工艺中,研究了通过调整He/N2比例,控制H含量,有效地降低了SiN膜应力。通过大量合金条件的实验,确定了欧姆接触的优化工艺,研制出了总栅宽为19.2mm、栅长为0.35 um的GaAs功率HFET。然后对HFET管芯进行阻抗匹配,使用键合引线电感和高介陶瓷电容等匹配元件构成LC匹配电路,对管芯端口阻抗进行变换,再通过λ/4阻抗变换线匹配至50Ω,两管芯用功分器进行功率合成,并利用ADS软件,对匹配电路进行优化,依据得到的元件参数值,制备匹配元件。管芯和匹配元件需封装在管壳内,因此对管壳进行了电学和热学分析,设计了三级台阶的新结构,满足了Ku波段高频平面传输的要求。并对测试系统进行了改进,设计制作的测试盒具有较小的损耗,且平坦度较好。最后,通过烧结、键合把管芯和匹配元件装配在管壳内,调整匹配电路,使管芯发挥出更好的性能。经调试后,两个19.2mm栅宽管芯功率合成的器件,饱和漏电流Idss=300 mA/mm,跨导Gm=390mS/mm,源漏击穿电压BVsd=14V/5mA,当Vds=9V,输入Pin=35dBm时,在f=14.0~14.5GHz频段内,输出功率Po >42dBm ,功率增益Gp >7dB,功率附加效率PAE>36%,两管芯合成效率大于90%,其中在14.3 GHz频率点,输出功率达到42.54dBm,增益7.54dB。
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