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1、微波电子线路第二章,西安电子科技大学 王 家 礼,微波电子线路,第二章 微波放大电路的设计 一、微波晶体管简介 1、双极晶体管（Bipoler Junction Transistor) 材料： 硅（Si） NPN型 两种载流子参与导电 电流控制元件 参数： S参数，噪声参数(最小噪声系数、等效噪声电阻、最佳源 反射系数或最佳源导纳），1dB功率压缩点 ，截止频率 ，最大振荡频率 。 特点： 价格低廉、可集成、 噪声低。 应用： 频率在 4GHz 以下可作放大器，频率在 6GHz 以下可作振 荡器。,微波电子线路,2、金属栅场效应管（MESFET) 、高电子迁移率场效应管（HEMT) 材料： G
2、aAs 肖特基势垒结 一种载流子参与导电 电压控制元件 参数： S参数，噪声参数(最小噪声系数、等效噪声电阻、最佳源 反射系数或最佳源导纳），1dB功率压缩点 ，截止频率 ，最大振荡频率 。 特点： 高截止频率 、噪声系数低、可集成 应用： 可作放大器、振荡器，但 噪声较高。 3、异质结晶体管（HBT） 材料： Al-GaAs In-GaAs P-GaAs NPN型 纵向结构 参数： S参数，噪声参数(最小噪声系数、等效噪声电阻、最佳源 反射系数或最佳源导纳），1dB功率压缩点 ，截止频率 ，最大振荡频率 。 特点： 高截止频率 、 噪声低、可集成、高电流增益。 应用： 可作微波毫米波放大器、
3、低相位噪声的振荡器。,微波电子线路,二、微波放大器特性分析 微波放大器的设计就是根据所选定的晶体管设计输入匹配网络 和输出匹配网络。微波小信号放大器的性能指标有；频率范围、功 率增益、输出功率、噪声系数等等。下面我们来讨论小信号晶体管 放大器的性能。,微波电子线路,1、晶体管放大器的稳定性 晶体管放大电路必须满足的首要条件之一是在其工作频率范围内 的稳定性。这一点对于微波电路是非常重要的，因为微波电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的趋势，这种趋势在放大器中称为自激。经分析不满足下列条件将产生自激，因此下列条件就是放大器稳定性判别的准则。,1 称为稳定性系数,满足以上条件的放大器称为绝对稳
4、定的，否则就是潜在不稳定。,微波电子线路,2、晶体管放大器的功率增益 微波功率放大器的增益有多种定义，他们取决于人们对微波放大器运行机制的了解。下面我们介绍他们的定义及经推导所得到的表达式。,工作功率增益(Operating power gain) 定义为：,其中;,转换功率增益 的定义为；,资用功率增益,定义为：,=,其中;,微波电子线路,例1、某一微波放大器的S参数为： 其源阻抗为40欧姆，负载阻抗为73欧姆，求其工作功率增益、转换功率增益、资用功率增益。 解：工作功率增益 转换功率增益 10.99dB 资用功率增益 16.68dB,11.38dB,微波电子线路,3、晶体管放大器的噪声 两
5、级晶体管放大器的噪声系数为,4、晶体管放大器输入、输出匹配电路拓扑的选择 a、集中参数电路拓扑,微波电子线路,b、分布参数电路拓扑,微波电子线路,5、集中参数电路拓扑的微波实现,集中参数电容用开路传输线来实现，而集中参数电感用一段传输线来实现。,微波电子线路,6、微波放大器的直流偏置 a 、双极晶体管直流偏置电路,在分布参数电路中，图中的电感用高阻抗传输线来实现，如右图所示,b 、MES场效应管直流偏置电路,微波电子线路,MES场效应管双电源供电偏置电路,MES场效应管单电源供电偏置电路,在分布参数电路中，图中的电感用高阻抗传输线来实现，如右图所示,微波电子线路,三、微波放大器设计方法 微波放
6、大器的设计实质上是设计输入输出匹配网络，不同的条件设计的方法是不一样的，下面我们来讨论它们的设计方法。 1、绝对稳定条件下的单向化设计 微波晶体管一般来说 是很小的，在一定的条件下是可以忽列的，即 此时 ， ，我们可以根据共轭匹配来设计输入输出 匹配网络。令 ，由于忽略了 ，其单向化增益为,微波电子线路,由于忽略了 的影响，那么它给增益带来多少误差。若 为单向化转换功率增益，则 时由于单向化设计带来的转换功率增益误差在正负1dB之内。利用 按照匹配网络设计方法来设计输入输出匹配网络。,2、绝对稳定条件下的双共轭匹配设计 令 其中；,已知 按照匹配网络设计方法来设计输入输出匹配网络。,3、绝对稳
7、定条件下的最小噪声系数设计 令,微波电子线路,已知 按照匹配网络设计方法来设计输入输出匹配网络。,4、潜在不稳定条件下的设计 a、稳定化设计； 我们首先采取一些措施使得晶体管稳定，其措施有如下办法；,微波电子线路,微波电子线路,b、潜在不稳定条件下设计； 潜在不稳定条件下我们首先把 平面的单位圆（单位圆内的输入反射系数的绝对值都小于1）映射到 平面上（映射圆称为稳定圆），在 平面上在稳定区域选择 ，该 保证输入反射系数的绝对值小于1。稳定圆的半径r和稳定圆的圆心位置由下式求出；,然后我们把 平面的单位圆（单位圆内的输入反射系数的绝对值都小于1）映射到 平面上（映射圆称为稳定圆），在 平面上在稳
8、定区域选择 ，该 保证输出 反射系数的绝对值小于1。稳定圆的半径r和稳定圆的圆心位置如下式所示。,微波电子线路,5、微波放大器设计步骤； 例；设计一个工作在12GHz的微波放大器，其功率增益大于8dB,噪声系数小于2.5dB。 解；第一步根据要求选择晶体管。我们选择NE13700场效应管，在频率为12GHz时的S参数和噪声参数为,微波电子线路,第二步计算判别稳定性,放大器处于绝对稳定条件下可以采用采用绝对稳定条件下最小噪声设计,第三步选择微带线基片，如,第四步根据 设计输入输出匹配网络,第五步将结果带入软件优化获得最佳设计结果。,四、宽带微波放大器 在许多电路中要求放大器具有较宽的频带。在射频
9、领域中，设计宽带放大器的主要障碍是受到有源器件增益带宽乘积的制约。我们知道任何有源器件的增益在高频端都具有逐渐下降的特征，其原因是晶体管的基极集电极电容或栅极源极电容和栅极漏极电容发生变化，当频率接近截止频率时，晶体管失去放大功能而变成衰减器。增加放大器带宽的主要困难：一是 随频率变化在宽频带内不能保持常数；二是 随频率增加而增加，使得放大器的增益下降，并有可能使器件进入潜在不稳定区，从而处于自激状态；三是 和 随频率变化而变化；四是频率升高噪声系数恶化。 为了解决这些问题人们提出了各种方法，主要的方法有：负反馈技术、有耗匹配网络技术、频率补赏技术以及采用管芯设计放大器。 频率补赏技术是在器件
10、输入端口或输出端口加上一个频率补赏匹配网络引入失配，用于补赏由于S参数随频率变化而产生的影响。这种匹配网络设计相当困难，几乎是靠经验反复设计才能达到较好的结果。我们举一个例子来说明设计的过程。设计一个宽带放大器，在2GHz到4GHz其增益为7.5dB，增益平坦度为正负0.2dB。我们选用AT41410双极晶体管，它在频带内是绝对稳定的，因此我们采用单向化设计。AT41410晶体管的S参数为：,微波电子线路,微波电子线路,由S参数可以看出晶体管的插入功率增益在频率为2GHz时11.41dB,在频率为3GHz时8.61dB,在 频率为4GHz时5.85dB。由单向化最大功率增益 输入匹配网络功率增
11、益为 ，输出匹配网络功率增益为 ，插入功率增益为 ，要实现 功率增益为8.7dB的放大器，就必须按下列要求来设计输入和输出匹配网络，在频率为2GHz 使其功率增益下降3.911dB，在频率为3GHz使其功率增益下降1.16dB，在频率为4GHz使其功 率增益增加1.65dB。为了说明问题我们的重点放在输入匹配网络上，在晶体管输出端不加 任何匹配网络。由于输出端直接与负载连接其输出匹配网络增益为0dB，我们可以在Smith 圆图中画出等增益圆，利用阻抗匹配的方法找出其电路拓扑，实现此目的的电路拓扑又很 多种，其中之一就是由两个电容构成，如下图所示。,微波电子线路,采用频率补赏技术设计输入输出匹配
12、网络另一种方法，就是已知输入输出匹配网络的增益与频率的关系，找出一个函数来逼近输入输出匹配网络的传递函数，然后利用此传递函数去综合匹配网络。常用的方法时实频域法或简化实频域法。 负反馈技术：利用负反馈技术可以扩展带宽，在宽带放大器中常用电阻性负反馈，但是这种方法是以牺牲增益和噪声的指标换取来得，我们在这里就不讨论了。 行波放大器：,行波放大器又称分布放大器，它具有超宽带特性，特别是采用单片集成电路其带宽可以超过20GHz。分析行波放大器的方法有两种，一种是采用栅传输线和漏传输线上的行波耦合建立起来的，另一种是用级联的四端口转移矩阵建立起来的。这两种方法都能设计出性能良好的放大器。,微波电子线路,五、微波放大器的功率合成 在宽带放大器中由于带宽变宽使其增益和输出功率都下降了，目前大多数都采用功率合成的办法来解决。常用的功率合成的电路有两种，一是采用分支线电桥，另一个是采用Lange电桥，后一种方法其带宽可达到一个倍频程以上。,微波电子线路,微波电子线路,谢 谢,
