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1、,第8章 微波晶体管放大器,8.1微波双极晶体管和微波杨效应晶体管,8.2异质结双极晶体管和高 电子迁移率晶体管,8.2.1异质双极晶体管,8.2.2高电子迁移率晶体管,8.3微波晶体管的参数,8.3.1微波晶体管参数的定义,8.3.2双极晶体管与场应管 参数性能比较,8.4微波晶体管放大器的功 率增益,8.4.1微波晶体管两端接任意负 载及信号源时输入阻抗,8.4.2微波晶体管输入、输出 功率表达式,8.4.3三种功率增益表达式,8.5微波晶体管放大器的稳 定性,8.5.1一些概念,8.5.2图解法判量放大器的稳 定性,8.5.3绝对稳定的判别准则,8.6微波晶体管放大器的噪 声系数,8.6
2、.1有源两端口网络噪声系 数的一般表达式,8.6.2等噪声系数图,8.7小信号微波晶体管放大 器的设计,8.7.1微波晶体管放大器设计 概述,8.7.2高增益放大器的设计举 例,8.7.3微波晶体管放大器电路 的计算机辅助设计,8.8微波晶体管功率放大器 的线性化,8.8.1微波晶体管功率放大器 的非线性,8.8.2微波晶体管功率放大器 的线性化举例,微波晶体管的主要用途,常用微波晶体管的种类,微波晶体管有着广泛的应用，它除了最常用的制作微波晶体管放大器外，还可运用于振 荡器、混频器、限幅、鉴频、开关、移相、高速脉冲调制与再生、高速逻辑电路等。,微波晶体管分为双极晶体管和单极晶体管两种。双极晶
3、体管是指PNP或NPN型这类有两种极性不同的载流子参与导电机构的晶体管，也称为晶体三极管。单极晶体管只有一种载 流子参与导电机构，通常指场效应晶体管。,本章提要,8.1微波双极晶体管和微波杨效应晶体管,结构与等效电路（如图8-1，图8-2） 两个重要参数 （1）特征频率 （2）噪声性能,1.微波双极晶体管,图8-1微波双极晶体管交指型结构示意图,图8-2微波双极晶体管管芯共发射极简化等效电路,结构与等效电路（如图8-5，图8-6，图8-7） 两个重要参数 （1）特征频率 （2）噪声性能,2.微波场效应晶体管,图8-5GaAs MES FET结构示意图,图8-6 MES FET漏电流与漏电压的关
4、系,图8-7 MES FET管芯等效电路,8.2异质结双极晶体管和高电子迁移率晶体管,8.2.1异质双极晶体管,2.异质结双极晶体管,1.异质结概念（如图8-9）,由于从发射区向基区注入电子所要克服的势垒高度，比由基区向发射区注入空穴所要克服的势垒高度要小得多，因此阻挡了空穴流，有效地提高了发射极的注入效率。,通常所称PN结是由一种半导体材料的相邻区进行不同元素的掺杂而构成的，也称为同质结；如果由两种不同的半导体材料构成的结，则称为异质结。,图8-9PN异质结形成前后的热平衡能带图,NPN HBT和D-HEMT结构图（如图8-11，图8-12） HEMT的输出特性（如图8-14）,8.2.2高
5、电子迁移率晶体管,图8-11 NPN HBT放大状态的能带图,图8-12 D-HEMT的结构图,图8-14 HEMT的输出特性,8.3微波晶体管的参数,8.3.2双极晶体管与场应管参数性能比较,8.3.1微波晶体管参数的定义,在工程应用中，无论是小信号工 作状态下的微波晶体管还是大信号工作状态下的微波功率晶体管，都可以看成是一个有源二端口网络，并采用S参 数来表征微波晶体管的外部特性。,（1） 、 双极晶体管：频率不太高时为容性反射系数，频率高时， 为容 性， 为感性。 场效应管：在较大频率范围内都是容性。 （2） 两种晶体管的 都随频率增加而增大，但场效应管的 比双极晶体管小得多，这说明场效
6、应管内部反馈比双极晶体管小，因而其稳定度高。 （3） 双极晶体管：随着频率的增加， 减小很快，通常 以每 倍频程6dB速度下降。 场效应管： 在较宽频率范围内 变化很小，所以场效应管可用 在较高频率上。,8.4微波晶体管放大器的功率增益,输入阻抗的表达式,8.4.1微波晶体管两端接任意负载及信号源时输入阻抗,8.4.2微波晶体管输入、输出功率表达式,8.4.3三种功率增益表达式,1.工作功率增益,工作功率增益 只与晶体管参数，负载反向系数有 有关，与信号源反射系数 无关。,增益表达式,2.转换功率增益,转换功率增益与晶体管参数，输入、输出匹配程度有关，当输入端、输出端都同时匹配时， | | 单
7、向转换功率增益 。,增益表达式,资用功率增益 只与晶体管参数及信源阻抗 有关，而与负载阻抗 无关。,当 很小时，单向转换功率增益表达式为： 可极大简化晶体管放大器设计 单向化设计 u0.12,.资用功率增益,增益表达式,8.5微波晶体管放大器的稳定性,（）绝对稳定（无条件稳定）绝对稳定或称无条件稳定。在这种情况下，负载阻抗 和信号源阻抗 可以任意选择，放大器均能稳定地工作。 （）潜在不稳定（有条件稳定）潜在不稳定或称有条件稳定。在这种情况下，负载阻抗 和信号源阻抗Zs只能 在特定的范围内选择，放大器才不致产生自激。 实现绝对稳定的条件： 放大器输入端与输出端必须同时满足以下条件：,8.5.1一
8、些概念,当| |时，h，上式变成：,8.5.2图解法判量放大器的稳定性,由 推出 的关系式：,8.5.3绝对稳定的判别准则,平面上的稳定判别圆六种形式,8.6微波晶体管放大器的噪声系数,8.6.1有源两端口网络噪声系数的一般表达式,有源二端口网络等效噪声网络图,各式结果带入,最后结果：,8.6.2等噪声系数图,（如图8-20）对应不同的值，有一系列相应的等噪声系数圆，它们的圆心都在原点到 的连线上。 最后指出，在圆图上，可以把等噪声系数圆和稳定判别圆，等功率增益圆同时画出来，在选择 时，可以利用等F圆、等G圆兼顾噪声和增益的要求，又可避开放大器的不稳定区。,图8-20等噪声系数图,8.7小信号
9、微波晶体管放大器的设计,8.7.1微波晶体管放大器设计概述,图8-21为小信号微波晶体管放大器的框图。图中a表示放大器由器件和输入、输出匹配网络组成，图b为放大器典型的模型。,图8-21小信号放大器的框图,1.微波晶体管放大器设计流程（如图8-22） 2.输入、输出匹配网络的基本形式（如图8-23）,图8-22放大器设计流程图,图8-23匹配网络的基本型式,8.7.2高增益放大器的设计举例,可求出u=0.180.12，不能作为单向化处理。,为实现最大增益，选择晶体管为FET，首先测出给定场效应管在4GHz时的S参数如下（ =50）： =0.72 -116 =2.60 76 =0.73 -54,
10、1.测量微波晶体管的参数,2.单向化设计的可能性,探讨单向化设计的可能性:由测定的 参数代入,作为非单向化设计最大功率增益只有在放大器处于绝对稳定工作状态，其输入和输出端同时实现共轭匹配时才能获得。本例采用微带结构，输入端信源阻抗和输出端负载阻抗为50 ，电路图如图8-24所示。,图8-24单级放大器示意图,3.非单向化设计的举例,2.低噪声放大器设计举例,8.7.3微波晶体管放大器电路的计算机辅助设计,1.Microwave Office软件简介,Microwave Office软件主程序中包括“电磁结构”和“原理图”两种仿真环境，以及多个厂家生产的多种型号晶体管的参数库文件，如S参数、噪声
11、参数等，还包括各种集总元件、微带线、带状线的等效仿真结构。该软件能提供多种线性、非线性的仿真测试，基本可以完成各种复杂微波电路的仿真分析，是目前一种比较理想的辅助设计软件。,在这里以设计一个两级FET晶体管低噪声放大器为例，简述使用Microwave Office软件设计仿真该放大器的过程。放大器的设计指标是噪声系数 NF30dB，工作频段为890MHz960MHz。在 Microwave Office软件的“原理图”仿真环境中新建文件，确定所设计放大器的频率范围，选择“新建原理图”选项，在原理图中添加所选的晶体管，在软件的Graphs中确定绘制仿真结果输出图并选择测试项，在本例选择选中Lin
12、ear中的K，Noise中的NF，Power中的 ，然后执行仿真。,8.8微波晶体管功率放大器的线性化,2.放大器的非线性失真,8.8.1微波晶体管功率放大器的非线性,1.转移特性,如图8-34绘出了微波晶体管放大器输出功率Pout与输入功率 的关系曲线及 曲线。,（如图8-35）,图8-34输出功率与输入功率的关系,图8-35放大器的非线性失真,8.8.2微波晶体管功率放大器的线性化举例,1.补偿技术（bank-off）,所谓补偿就是降低输入功率Pin，使放大器工作点离饱和区远一点，工作在如图8-34所示曲线OA 段范围内，这一段的 PoutPin曲线性度较高。由此看出，补偿就是用降低输出功
13、率的方法来减少非线性失真。这种办法简单，能使放大器得到较高的线性度，但是由于晶体管放大器直流工作状态不变，放大器的效率相应降低了，同时晶体管本身也“大材小用”，其能力没有充分地发挥出来，当需要大的功率输出时，就需要使用能输出更大功率的晶体管，这对器件也就提出了更高的要求。补偿技术的这些缺点，限制了它的广泛运用。,2.预失真技术,预失真技术就是在微波晶体管放大器前面接入一个线性器，用线性器的失真特性来补偿放大器的失真。图8-36是预失真技术的方框图及补偿放大器非线性的原理说明。,图8-36预失真技术电路组合及原理说明,.前馈技术,一种预失真电路介绍 预失真线性器的结构有多种形式，图8-37就是其中一种，输入信号先经过一个3dB耦合器分成两相位差为90的信号，一路经具有可调移相器和衰减器的“线性支路”，另一路经过由两个反向并联微波二极管组成的“非线性支路”，然后再经过一个3dB耦合器相加合成输出。,前馈电路的基本工作原理可由图8-38中的电路组合框图及频谱图加以说明。,图8-38前馈电路原理图及各点频谱图,图8-37一种预失真线性器电路,
