03 · GaN HEMT 功放原理

GaN HEMT 末级的工程设计，需要同时定义栅压、漏极电源、射频驱动、负载和热边界。器件功率能力是这些条件共同作用的结果，不是只由材料名称或数据表标题中的瓦数决定。

本文聚焦外部偏置的 RF GaN HEMT。耗尽型器件与增强型器件的控制方式必须分别核对；不能把功率转换用 GaN 开关管的驱动方法直接用于 RF PA。下文负载线和功率计算是独立构造的理想模型，没有对应器件实测数据。

1. 模块作用

HEMT 利用栅源电压控制沟道电流。典型 AlGaN/GaN 异质结构可以形成二维电子气沟道，器件结构、工艺和电场分布决定实际性能。公开研究对相关结构及 RF 特性作了讨论；这里不将某种外延结构推广到全部商用器件。AlGaN/GaN HEMT 研究论文

在末级 PA 中，漏极供电提供主要能量，栅极射频激励调制电流，输出网络提取目标频带的射频功率。栅极不是仅有直流电压的控制端：输入匹配和驱动还要处理寄生电容、反馈及实际栅极电流边界。

GaN 的高功率密度与器件电压、电流摆幅有关，GaN-on-SiC 的热路径也具有工程意义。但材料能力不等于整机散热能力，封装、焊接、接触界面和散热器仍需验证。Qorvo：GaN RF 材料与热特性

2. 在 RRU 中的位置

典型单支路为 RFIC → Pre-driver → Driver → GaN 末级 → 滤波与耦合 → 天线接口。GaN 末级可能是一颗外匹配器件，也可能集成于平衡或 Doherty 模块。

板级的输入、输出连接器通常按系统阻抗定义；晶体管内部的最佳大信号负载并不天然等于 50 Ω。匹配网络需要把外部端口条件转换到目标器件参考面，同时满足带宽、效率、谐波和稳定性要求。

如果末级属于 Doherty 载波或峰值支路，应分别定义支路偏置和负载调制条件。公共输入端的功率、分支功率与器件引脚功率不能混为一组数据。

3. 典型电路结构

输入匹配与偏置馈入作用于栅极，漏极供电通过射频隔离网络进入器件；输出匹配连接负载，源极建立 RF 回流及栅压参考。偏置、检测和保护的结构示意见 三级功放架构。

实际电路还包括隔直、偏置去耦、电源支路开关、采样及故障联锁。RF choke 表示隔离功能，可以由电感或传输线等结构实现；其低频、包络和 RF 行为需要一起评估。

4. 工作原理

4.1 工作点与跨导

RF 静默时，用 $V_{DSQ}$、$V_{GSQ}$ 和 $I_{DQ}$ 描述静态工作点。工作点附近的局部跨导为：

$$g_m=\left.\frac{\partial I_D}{\partial V_{GS}}\right|_{V_{DS},T}$$

它表示在规定漏压和温度附近，栅压微小变化引起的电流变化。跨导不是一条覆盖全部温度与输入摆幅的常数，因此用一个 $g_m$ 值推算整个大信号功率范围并不充分。

4.2 理想负载线只是预算起点

以下参考面位于理想化的内在漏极电流源，忽略器件与封装寄生及匹配网络损耗，采用无谐波、纯电阻基波负载。漏极基波电压和电流幅度分别为 $V_1$、$I_1$，则：

$$R_{\mathrm{eff}}=\frac{V_1}{I_1},\qquad P_{\mathrm{RF,out}}=\frac{V_1 I_1}{2}$$

理想 Class A 计算示例： 假设静态漏压 28 V、静态电流 2 A，正弦电压幅度 25 V、反相电流幅度 2 A。电压在 3～53 V 之间变化，电流在 0～4 A 之间变化；该内在模型的基波负载为 12.5 Ω、提取的基波功率为 25 W，漏极直流功率为 56 W。实际封装引脚负载需要参考面变换，连接器输出还需扣除相应损耗。

例子只有在相应摆幅均处于器件允许范围、模型成立时才有意义。53 V 的瞬时漏压不能拿 28 V 的直流设定值掩盖；12.5 Ω 也不是板级连接器的直接匹配目标。Class AB、谐波调谐和 Doherty 的实际波形需使用各自模型。

Qorvo 的 I-V 分析说明了膝点、电流与电压边界、工作点及负载线之间的关系。实际 RF 轨迹还受寄生、温度和动态效应影响，不能将图中直线视为实测轨迹。Qorvo：I-V 曲线与功放设计

4.3 效率与非线性分开定义

在同一模块边界、同一时间窗内：

$$\eta_D=\frac{P_{\mathrm{RF,out}}}{P_{\mathrm{DC,drain}}},\qquad \mathrm{PAE}=\frac{P_{\mathrm{RF,out}}-P_{\mathrm{RF,in}}}{P_{\mathrm{DC}}}$$

定义 PAE 时要声明直流分母是否包含辅助电源、驱动或控制损耗。调制波形还要记录输出功率回退、占空比和 DPD 状态。不能用 CW 饱和效率代表 5G 调制平均功率下的效率。

非线性包括增益压缩、相位变化以及受温度、偏置和陷阱效应影响的历史相关行为。小信号 S 参数有助于起步，却不足以独立预测大信号输出、效率或宽带线性。应核对非线性模型的频率、偏置、温度和验证范围。Qorvo：GaN 非线性模型

5. 关键参数

阈值电压、关断电压和达到目标 Idq 的栅压是不同对象。功放工作点应按器件要求确定，不用单一阈值替代校准。

6. 工程设计关注点

偏置与失效状态： 对适用的耗尽型 RF 器件，先建立并确认关断栅压，再使能漏极，之后在 RF 静默条件下调整工作点。掉电期间要覆盖漏极储能释放及控制器复位，具体电压与顺序核对器件资料。ADI AN-1363：外部偏置放大器

稳定性与布局： RF 回流、偏置馈入和电源去耦共同影响稳定性。匹配改变、温度变化和测试附件也可能改变终端条件；不要只在一个工作频点验证有无振荡。

热与降额： 热计算采用正确的耗散和温度对象。板温不能直接当成结温，稳态热阻不能无条件描述短脉冲或多芯片热耦合。将实测壳温、安装界面和环境条件一起记录。

7. 调试方法

1. 先核对无 RF 条件。 确认供电、关断栅压、联锁、测量参考和散热准备；器件允许条件明确后再接入。
2. 建立静态工作点。 在规定 VDS、温度及限流条件下按器件方法调整偏置，记录 VGS 与 Idq。Doherty 峰值支路执行自身程序。
3. 验证小信号与稳定性。 低电平起步，检查增益、带宽、异常带外谱线和供电变化；不能仅凭直流电流正常判定稳定。
4. 逐步做功率扫描。 同步记录输入、输出、直流功率和温度，明确参考面及时间窗，比较增益压缩与相位变化。
5. 切换目标调制波形。 建立 DPD 关闭基线，再验证观测链路和开启 DPD 后的结果，保留峰值与回退条件。
6. 记录边界。 将已验证与未验证的频率、温度、供电、负载和波形范围分开，原始记录可追到对应配置。

交付物应包括工作点表、负载与匹配依据、功率/效率/热数据的共同边界及保护验证方法。本文的理想计算只用于理解这些约束，不能替代目标器件的实测和验收。