应用于5G频段的GaN射频功放设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着无线通信行业的不断发展与技术创新，全球正一步步迈入一个崭新的通信技术的革新运动——5g（第五代移动通信技术）。依据相关消息，2018年12月我国三大通信运营商对5g低频段（3.5ghz频段）的分配授权结束，并陆续开始商用5g低频段实验。至今一年多的时间里，5g种种炫目突破也实时展现眼前，备受关注，距离其真正商用日期已越来越近，未来十年注定是5g通信的时代。而由于5g的高频通信要求，基站功率受到了新的挑战，必须寻找比当前4g基站主要使用的gaas更高功率密度的材料，由此同属于第三代宽禁带半导体材料的gan横空出世。gan不仅具有更高的电子迁移率，其功率密度更可达gaas的十倍之多，并且gan在高频的条件下其依旧可以保持高功率，具有良好的高功率输出性能，设计上更是可以以较少的元件数量达到设计要求，使器件更小巧化^[1-2]。因此对于即将使用毫米波的5g设备来说，gan材料必然是未来的不二之选。据相关报告称，gan将于未来5到10年成为3w以上rf功率应用的主流技术，gaas市场规模跌至整体15%^[3]，2018年全球3w以上gan射频器

件（不含手机pa）市场规模达到4.57亿美元，预计到 2023年市场规模将达到13.24亿美元，年复合增长率超过23%^[4]。由此可见gan器件的市场是极其广阔的，所以对gan器件的研究是极具必要性的。

gan材料由于其高功率特性，在5g射频中最主要的的应用便是射频功率放大器的设计，这主要来源于gan材料对晶体管的革新。在2g、3g时代，国内外最初采用的为ldmos（横向扩散金属氧化物半导体）晶体管，其在3ghz频率以下工作基本可以实现设计要求，其中较具代表性的是飞利浦公司生产的ldmosblf0810晶体管，其采用双层金属化与金线键接的工艺，让晶体管的体积更加小，性能指标更加突出。与国外相比，当时国内大多的晶体管都是从国外购进，国内当时起步还是比较晚的，基本上在技术上很难达到国外当时的先进水平^[5-7]，但由于其始终有功率增益较低，散热效果差等问题而逐渐被当前研究火热的gan效应晶体管取代。近期便有外国学者对gan-on-si hemts（高电子迁移率晶体管）在5g基站建设的可能性以及表现给予了肯定意见。^[8]

2. 研究的基本内容与方案

本设计主要结合当前5g通信相关基站等通讯端对功率放大器的需求，通过使用ads（advanceddesign system先进设计系统）专业射频设计软件设计一款可应用于当前我国5g所在频段的射频功率放大器。

ads软件是工业设计领域eda软件的佼佼者，尤其在射频微波领域，得到了广大ic设计工作者的支持。ads电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真 (spice-like simulation)、频域电路仿真 (harmonic balance、linear analysis)、三维电磁仿真 (em simulation)、通信系统仿真(communication systemsimulation)等，并且ads支持射频和系统设计工程师开发所有类型的rf设计，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波射频电路和通信系统仿真软件软件。^[12]因此学习此软件并以此完成本设计是完全可行的。

射频功率放大器种类繁多，依据其直流静态工作点划分为a（甲类）、ab（甲乙类）、b（乙类）、c（丙类）、f、e类等等，每一种的工作效率和运用场景都有所不同。例如a类功放的实际效率虽然一般只有30%，但其线性度极高，适用于对线性度要求极高的音响等产品，而ab类、c类则运用于效率要求较高的应用。此外，射频功放的设计指标还涉及放大电路的带宽大小、功放稳定性、输出功率的具体指标、功率增益以及增益平坦度、工作效率、驻波比以及线性度等等，这些每一个参数的好坏都将决定一个功放的质量和电路的性能。^[13-14]

3. 研究计划与安排

第1周—第3周 查阅相关文献资料，明确研究内容，了解本课题研究所需的理论知识，初步确定设计方案，撰写开题报告；

第4周—第5周 论文开题，学习射频设计软件ads2017的使用方法。明确射频电路具体仿真参数的含义，学习相关仿真案例的实验方法，掌握软件各类仿真设计方法；

第6周 了解gan材料特性，掌握相关器件的参数差异，学习射频功放的设计基本理论，明确设计难点和重点，进行相关电路的仿真测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 氮化镓(gan):5g时代提高射频前端和无线充电效率的新元素[j].半导体信息,2019(05):2-7.

[2] gan逐步向rf领域的发展之路[j].半导体信息,2019(01):32-35.

[3] rf功率组件市场洗牌 gan将成主流技术[j].半导体信息,2017(04):33-34.