究——微波功率放大器的分析与设计.pdf

西安电子科技大学 硕士学位论文 gan基hemt mmic关键技术的研究微波功率放大器的分析与 设计 姓名：林锡贵 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：郝跃 20060101 摘要 摘要 第三代宽禁带半导体材料g a n ，由于具有较宽的禁带宽度( 3 4 e v ) 、较高的 击穿电场( 3 + 1 0 6 v c m ) 和较高的电子饱和速率( 2 + l o7 c n l s ) ，使得a l g a n g a nh e m t ( 高电子迁移率晶体管) 在微波波段的大功率、高频率、低噪声性能方面超过g a a s 基h e m t 和1 1 1 p 基h e m t 。正是由于这些优越的性能，将使a 1 g a n g a nh e m t 成为m m i c ( 单片微波集成电路) 中p a ( 功率放大器) 和l n a ( 低噪声放大器) 发展方向。 本文在小信号s 参数不适于微波功率放大器的设计而大信号s 参数不易获得的 情况下，采用负载牵引法和输入端共轭匹配，成功的设计出a l g a n g a nh e m t 微 波功率放大器。 巴伦( b a l u m 是推挽联结构功率放大器的关键部件，传统的m a r c h a n d 巴伦忽 略了输出端口的匹配和隔离问题。本文通过理论分析，解决了输出端口问题，成 功设计出宽带宽、输入输出端口匹配、输出端口隔离度高的微带m a r c h a n d 巴伦， 并利用此巴伦设计了g a n 基h e m t 推挽联结构功率放大器。 线性度是微波功率放大器一个非常重要的指标，本文利用预失真技术对g a n 基h e m t 功率放大器进行线性化设计，提高其线性度。 关键词：a l g a n ，g a nh e m t 微带m a r c h a n d 巴伦 单片微波集成电路功率放大器 预失真 a b s t r a c t a b s t r a c t g a i l i u mn i t f i d e ( g a n ) ，t h et h i r d g e n e r a t i o nw i d eb a n d g a ps e m i c o n d u c t o r ，p o s s e s s e d v e r y a t t r a c t i v ef e a t u r e ss u c ha s a l a r g eb a n d g a p ( 3 4 e v ) ，h i g h b r e a l c d o w n f i e l d ( 3 + 1 0 6 v c m ) ，h i 曲s a t u r a t i o ne l e c t r o nv e l o c i t y ( 2 + 1 07 c r r i s ) a n ds oo n ，h a dm a d e a l g a n g a nh i 曲一e l e c t r o n m o b i l i t y t r a l l s i s t o r ( h e m t ) e x c e e dg a a s _ b a s e dh e m t a j l di n p - b a s e dh e mt a n da i g a n g a nh e m tw i i ib e c o m et h em o s tp o p u l a rd e v i c e f o rp o w e ra m p l i f i e r ( p a ) a n dl o wn o i s ea m p l i 6 e r ( l n a ) i nm o n o l i t h i cm i c r o w a v e i n t e g r a t e dc i r c u i t ( m m i c ) a l g a n g a nh e m tm i c r o w a v ep o w e ra m p l i f i e rw a sd e s i g n e ds u c c e s s f u l l y b y l o a d _ p u l lm e t h o da n dc o 巧u g a t em a t c hi ni n p u tp o r ti nt h i sp a p e r ， w h i l es m a l l s i g n a l s p a r a m e t e r sc a n tb eu s e df o rd e s i g no fm i c r o w a v ep o w e ra m p l i n e ra n d1 a 唱e s i g n a l s p a r a m e t e r sw e r ed i 街c u l tt oa c h i e v e b a i u n ( u n b a l a n c e dt ob a l a n c e dc o n v e r t e r ) w a st h ek e yd e v i c ef o rp u s h p u l im i c m w a v e p o w e ra m p l i f i e r ，a n dt h ei s s u eo fb a l u no u t p u tm a t c ha j l di s o l a t i o nh a sn o tb e e n a d d r e s s e d am i c r o s t i pm a r c h a n db a l u nw a sd e s i g n e db yt h e o r ya n a l y s i si nt h i sp a p e r ， w i t ht h ep e r f e c tr e s u l t so fw i d e b a n d ，i n p u “o u t p u tm a t c ha n do u t p u ti s 0 1 a t e d t h e n ，g a n b a s e dh e m tp u s h p u l lm i c r o w a v ep o w e ra m p l i f i e rw a sd e s i g n e dw i t ht h i s m i c r o s t “pm a r c h a n db n u n l i n e a “t yw a s t h ek e yi n d e xf o rm i c r o w a v ep o w e ra m p l i f i e lp r e d i s t o r t i o nw a su s e di n t h el i n e a r i z a t i o no fg a n b a s e dm i c r o w a v ep o w e ra m p l i f i e r ，a n dh i g h e rl i n e a r i t yw a s a c h i e v e d k e yw o r d s ：a l g a n ，g a nh e m t ， m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ， p o w e r a m p i m e r ，m i c r o s t r i pm a r c h a n db a l u n ， p r e d i s t o r t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盎必 日期：谢t i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、编印或其他复制手段保存论文。( 保密论文在解密 后应遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 盎盟盔日期：趔，厶z 日期： 瓿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的与意义 m m i c ( 单片微波集成电路) 是第三代微波电路，它将微波无源器件、有源器件、 传输线和互连一起制作在一片半导体基片上，具有完整的电路功能，在1 8 g h z 以上甚至毫米波段均可采用【l j 。由于m m i c 不必单独封装半导体器件，实现了有 源无源器件的一体化，使微波电路一改同轴线、波导的粗重形象，具有与数字集 成电路近似的大小与封装，从而使微波电路系统能像一般的电子线路样进行设 计与加工。 微波功率放大器( p a ) 是微波通信系统、广播电视发射、雷达、导航系统的核 心部件之一。在所有微波发射系统中，都需要功率放大器将信号放大到足够的功 率电平，以实现信号的发射，实现信号的远距离传输和保障可靠的接收，因此功 率放大器是制约系统性能和技术水平的关键部件。 随着无线通信、个人通信、宇航系统等的发展，对固态功率放大器提出了新 的要求：大功率输出、高效率、高线性度、高工作频率。g a a s 基功率器件虽然 在微波波段表现出色，但其功率性能几乎已经达到理论值，例如在1 0 g h z 下， g a a s 基p h e m t 的输出功率密度最大只有1 w m m l 2 j 。 g a n 材料由于具有较宽的禁带宽度( 3 4 e v ) 、较高的击穿电场( 3 1 0 6 v ，c m ) 和较 高的电子饱和速率( 2 1 07 c i l l s ) ，使得a l g a n g d nh e m t ( 高电子迁移率晶体管) 在微波波段的大功率、高频率、低噪声性能方面超过g a a s 基h e m t 和i n p 基 h e m t 。掘报道【3 】，a l g d n g a nh e m t 的截止频率丘和最高振荡频率f m 。分别可 达到1 2 1 g h z 和1 6 2 g h z 。8 g h z 下，连续波( c w ) 功率密度可达到3 0 w ，m m 。 目前，大功率、高频率、高线性、高效率的a l g a n g a nh e m tm m i c 功率 放大器成为研究的热点。 1 2 国际国内研究状况 自1 9 6 9 年h p m a r u s k a 等人【4 】首先对g a n 晶体的基本性质进行了研究，到目 前，国际上已经研制出多种a 1 g a n g a nh e m t 微波功率放大器，有l c r 匹配结 构【5 】、双倍丘电阻反馈结构酊、损耗匹配共源共栅结构【7 1 、非均匀分布结构7 1 、推 挽联结构【8 】等等。据报道【9 l 单个g a n 管子的m m i c 功放在2 1 5 g h z 最高输出功 率达到2 8 0 w 。 在国内，西安电子科技大学微电子研究所、中国科学院微电子研究所、南京 2g a n 基h e m tm m i c 荚键技术的研究一一微波功率放人器的分析与设计 5 5 所等单位都对g a n 材料和器件开展大量的研究工作。 1 3 本文的主要工作和内容安排 本文的主要工作包括下面几个方面： 1 分析研究a l g a n ，g a nh e m tm m i c 中的无源器件，考虑实验室的工艺 条件，认为微带电路比较适合g a n 基m m i c 功率放大器。 2 在小信号s 参数不适于微波功率放大器的设计而大信号s 参数不易获得 的情况下，采用负载牵引法和输入端共轭匹配，设计a l g a n g a nh e m t 微波功率放大器。 3 出于传统的共面m a r c h a n d 巴伦没有考虑输出端口的匹配和隔离问题， 不适合用于推挽联放大器，本文设计出一个既保证输入匹配、等幅反相 输出、工作带宽宽，又解决输出端口匹配和隔离问题的共面双边祸合微 带m a r c h a n d 巴伦。 4 利用设计的微带m a r c h a n d 巴伦设计了a l g d n g a nh e m t 推挽联微波功 率放大器。 5 研究了功率放大器线性化技术，采用预失真技术提高了a l g a n g a n h e m t 功率放大器的线性度。 本文的主要内容是第2 、3 、4 、5 章，第2 章介绍了a l g a n g a nh e m t 器件、 电容、电感、电阻、微带线、共面波导等；第3 章主要介绍了功率放大器的分类、 指标及设计方法，并设计了a 类g a n 基功率放大器：第4 章主要是设计了共面 双边耦合微带m a r c h a n d 巴伦，并解决了输出端口匹配和隔离问题，然后利用该 巴伦设计了g d n 基推挽联功率放大器；第5 章分析研究了功率放大器线性化技术 功率回退、前馈、反馈、预失真，最后采用预失真技术对功率放大器进行线 性化设计。 第二章有源器什和无源器r f ： 2 1 1 引言 第二章有源器件和无源器件 2 1 有源器件a l g a n g a nh e m t 随着无线通信、个人通信、宇航系统等的发展，对固念功率放大器提出了新 的要求：高功率输出、高效率、高线性度、高工作频率。功率放大器的有源器件 特性跟半导体的材料特性【2 1 关系如图2 一l 所示： w i d ee 口 h i a h v 。 h i g hn 。 ( h e t e r o s t r u c t u r e ) h i g hp h i g hp o w e r l e v e l h i g hf r e q u e n c yi 气 h i g h f n c i e n c y p a e ) h i g ho p e r a t i n gt e m p 幽2 1 有源器什和材料特性关系图 第二代半导体g a a s 和第三代半导体一一g a n 的材料特性如表2 一l 所示： 禁带宽度击穿电场电子饱和速度 材料 e m c m ) c m ，s ) g a a s1 4 34 1 0 51 * 1 0 7 一 g a n3 42 t 1 0 6 2 t 1 0 7 表2 1g a a s 和g a n 的材料特性 结合表2 一l 和图2 1 可以看出，宽的禁带宽度和高的电子饱和速度可以使器 件获得大的输出功率、高的工作频率以及高的工作温度。g a a s 器件虽然在微波 功放应用表现不错，但其禁带宽度较窄、电子饱和速度较低，其微波功率性能几 乎已经达到理论值。 第三代宽禁带半导体g a ：n ，由于具有宽的禁带宽度、高的击穿电场和高的 电子饱和速率，使得g a n 基器件符合高功率输出、高效率、高线性度、高工作频 率的固态微波功率放大器的要求，在微波波段的大功率、高频率等方面超过g a a s 4 g a n 基h e m t m m i c 关键技术的研究一一微波功率放大器的分析与设计 器件。据报道【9 】，单个ga _ n 管子的m m i c 功放在2 1 5 g h z 最高输出功率达到2 8 0 w ， 而如果想要到达同样的功率水平，却至少需要四个g a a s 器件。 2 1 2a 1 g a n g a n 脏m t 工艺 1 材料的生长 a l g a n g a n 异质结材料一般是在蓝宝石或者s i c 外延材料上生长。g a n 外延生 长方法目前有三种：m o c v d 法、m b e 法和h v p e 法。目 i 一般采用的都是 m o c v d ，主要是因为m 0 c v d 法得到的g a n 材料质量高，可直接用于器件制造：同 时，m o c v d 法的生长速率适中：而且m o c v d 系统没有m b e 系统那么复杂，对真 空度的要求也没有m b e 系统那么高。 2 台面隔离刻蚀 由于g a n 和a 1 g a n 的抗化学腐蚀能力很强，所以目盼一般采用干法刻蚀方法。 常用的干法刻蚀方法有c l 基反应离子刻蚀( r i e ) 、c l 基感应耦合等离子体刻蚀 ( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ：i c p ) 、c l 基e c r 亥0 蚀等。 3 源漏欧姆接触 目前，盒属淀积常用工艺有电子束蒸发和磁控溅射等，常用的欧姆接触金属 主要有：t i a l n i a u ，t i a l p t a u 和t i a l 厂r i a u 等。 4 肖特基栅接触 g a n 与会属形成的肖特基势垒主要还是由功函数差决定的，因此不同金属与 g a n 的接触可以形成不同的肖特基势垒高度。n i a u 是最常用于a l g a n g a n h e m t 制造的肖特基接触会属。 2 2 无源器件 m m i c 常用的无源元件有两类：一类是集总元件( 尺寸通常小于o 1 波长) ， 另一类是分布元件。其中1 0 2 0 g h z 波段可使用集总元件，而高于2 0 g h z 易采用 分御元件。在频率较高时，集中参数的电感，电容和电阻不能简单的当成理想的l 、 r 和c ，还应考虑它们的寄生参量，必须当作一个网络来处理。 2 2 1 传输线元件 在m m i c 中常用的分布参数元件是微带线( m i c r o s t r i pl i n e ) 和共面波导 ( c p w ，c o p l a n a rw a v e g u i d e ) 。 微带线】是微波集成电路无源元件的最主要形式，是使用最多的一种平面型 第二二章有源器什和无源器什 传输线。它可用光刻程序制作，且容易与其它无源微波电路和有源微波器件集成， 实现微波部件和系统的集成化。微带线是在金属化厚度为h 的介质基片的一面制作 宽度为w ，厚度为t 的导体带，另一面作接地金属平板而构成的。如图2 2 ( a ) 所 示，图2 2 ( b ) 表示其场结构。 由于导体带上面是空气，导体带下面是介质基片，所以大部分场都分布在介 质基片内，且集中在导体带与接地板之间。微带线中传播的是准t e m 模，引入有效 介电常数为s ，的均匀介质代替微带线的混合介质。 巨媾藤越剿i i ( a ) 慑两残端碉 伪) 减币簸助辐稠 幽2 2 微带线 对于零厚度导体带的微带线的特征阻抗和有效介电常数计算公式如下： 绷时，z o 2 詈l n ( 和2 5 鲁) ( 2 - 1 ) 铲孚+ 孚昭+ 警一”+ o ”翱 c z z ， 翔他 l 吼z 。2 警+ 丽丽丽而赢丽丽( 2 _ 3 ) 铲竽+ 字( - + 移2 ( 2 _ a ) 在o 0 5 匕，此时有，7 z 删e 。 效率越高，功率损耗越小。如何保证高的效率和大的输出功率，是微波功率 1 2g a n 基h e m tm m i c 关键技术的研究一一微波功率放大器的分析与设计 放大器设计的核心。 线性度 功率放大器按照工作状态可分为线性放大和非线性放大两种。非线性放大器 效率比较高，而线性放大器的效率比较低，最高的理论上也只能达到5 0 。因此 从高效率的角度来看应该采用非线性放大器，但其工作在非线性区，在对输入信 号放大的同时会产生一系列的有害影响。 衡量功率放大器线性度的主要指标有两个：l d b 增益压缩点弓。和三阶互调截 点圮。 输入为单音信号，当输入功率较低时，输出功率与输入功率成线性比例关系。 然而当输入功率超过一定的量值之后，晶体管的增益丌始下降，最终结果是输出 功率达到饱和。当功率放大器的增益比线性放大器增益低l d b 所对应的点就称为 1 d b 增益压缩点只。 图3 一l 功率增益压缩 输入为双音信号( 厂，厂：) ，由于器件的非线性，会产生很多组合频率，这些组 合频率会对有用信号形成干扰。由于这种干扰不是由输入信号的谐波引起的，而 是由这两个输入信号的互相调制引起的，所以称为互调失真。由器件的三次方项 引起的互调称为三阶互调，三阶互调对应的点称为三阶互调截点以。由器件的五 次方项引起的互调称为五阶互调，五阶互调对应的点称为五阶互调截点以。由于 三阶互调最接近基频，所以一般只用三阶互调截点来衡量线性度。三阶互调截点肥 越大，说明功率放大器的线性度越好，对邻道的干扰越小。 一 0 第三章g a n 基功率放火器的分析与设计1 3 3 d b 工作带宽曰暇 即： 图3 2 三阶互调截点 3 d b 工作带宽丑。定义为比最高增益低3 d b 所对应的上下频率之差， b 。= 一石 ( 3 4 ) 设计中总是希望带宽越宽越好，但带宽大，增益就会下降，所以在设计中必 须折中考虑。 3 1 2 功率放大器的分类 功率放大器一般可分为a 、a b 、b 、c 、d 、e 、f 类。归纳这些分类原则，大致 可分为两种：一种是按照晶体管的导通情况分，另一种是按照晶体管的等效电路 分。 按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角大小，功率放大器可分为 a 、a b 、b 、c 类。在信号的一周期内管子均导通，导通角口= 1 8 0 。( 在信号周期一 螅签鸠 陟 1 4g a n 基h e m tm m i c 关键技术的研究一一微波功率放人器的分析与设计 周内，导通角度的一半定义为导通角曰) ，称为a 类。一周期内只有一半导通的称 为b 类，即毋= 9 0 。导通状况介于a 类和b 类，即9 0 。 l ，f = 1 ，2 时， 稳定区在稳定圆早面，如图3 7 所示 定圆 图3 7s m i t h 圆图上的稳定区域( 阴影部分为稳定区) 二端口网络绝对稳定的充分必要条件： k 1 ，j j 1 ，但这会使电路的噪声系数恶化；( c ) 利用反馈， 不仅能使电路稳定，而且对输入输出匹配也起了非常大的作用。( d ) 一般用于低 频电路。 第三章g d n 基功率放大器的分析与设计1 7 3 3 匹配网络 与低频电路不同，微波电路和系统的设计，不管是有源电路还是无源电路， 都必须考虑其阻抗匹配问题。阻抗匹配网络是设计微波电路和系统时采用最多的 电路元件。其根本原因是低频电路所流动的是电压和电流，而微波电路所传输的 是导行电磁波，不匹配就会引起严重的反射。 z 1 厂 ) 输出 丁一 ) 输入 g a n 匹配 匹配 h e m t 网络 网络 一 3 3 1 阻抗匹配的重要性 i 玺| 3 9 放人器结构图 阻抗匹配是使微波电路或系统无反射，载行波或尽量接近行波状态的技术措 施。其重要性】如下： 匹配时传输给传输线和负载的功率最大，且馈线中的功率损耗最小 阻抗失配时传输大功率易导致击穿 阻抗失配时的反射波会对信号源产生频率牵引作用，使信号源工作不稳定， 甚至不能正常工作 3 3 2 阻抗匹配的方法 常用的方法有电抗补偿法，阻抗变换法，反射吸收法( 隔离器或衰减器) ，这 里主要讨论阻抗变换法 集总元件l 节匹配网络 为了向负载传送最大功率，要求晶体管的置端必须是z s 和z l ，输入匹配网络 设计将使信号源阻抗变换到阻抗z s ，而输出匹配网络将使负载阻抗变换到阻抗 z l ，l 节匹配网络就是采用两个电抗元件组成的匹配网络，电抗元件可以是电感 或者电容，因此有8 种可能的匹配电路。它可以借助史密斯圆图来快速精确的设 1 8 g a n 基h e m t m m i c 关键技术的研究一一微波功率放大器的分析与设计 计。如图3 1 0 所示。 盈踟鲥翔捌 = 墨踟耐三翟。 三幽霸王孙。 强删王蝥删 图3 一1 0l 匹配网络 l 匹配网络简单，实用，不仅完成阻抗变换功能，还担负了滤波功能，是一 种窄带无耗网络。但是，其q 值无法控制，某些匹配电路无法达到特定的匹配电 抗，而且电容，电感不易实现，电感要占比较大的面积 要解决q 值问题，可以采用三元件的匹配电路，即在l 节匹配网络加上第三 个元件可以构成无损耗的t e e 型网络( 也称t 网络) 或者p i 型网络( 也称兀网络) 。 ( a ) 无损耗t 网络 微带线匹配网络 图3 1 lt 网络与p ；网络 ( b ) 无损耗兀网络 微带线是h m i c 和m m i c 使用最多的一种平面型传输线，它可用光刻程序制 作，且容易与其它无源微波电路和有源微波器件集成，实现微波部件和系统的集 成化。 可以用适当特性阻抗的传输线设计匹配网络，微带线可以作为串联传输线， 开路短截线，或者短路短截线。实际上，一个串联的微带线连接一条短路或开路 的短截线可以将5 0 q 电阻变换到任何阻抗数值。借助于s m i l h 圆图可以达到精确 设计。 第三章g a n 基功率放大器的分析与设计1 9 曩n 。 ( a ) 开路短截线 f b ) 短路短截续 图3 一1 2 微带匹配网络 另一种实用的微带匹配电路是利用一段串联特征阻抗为z o l 的四分之一波长 线，连接长度为五8 或者3 a 8 ，而特征阻抗为z 0 2 的短路短截线，可以将5 0 q 负 载变换到任意输入阻抗数值，也可以用丌路短截线替代短路短截线。 00 h m 图3 一1 3 五4 与五8 或3 旯8 微带匹配网络 y w = g w j b ”b l n oq z 0 l = 露，酚1 当= g + 口， z 0 2 开路时，1 2 = a 8 ，z 0 2 短路时，1 2 = 3 旯8 当= g ，一归w ， z 0 2 丌路时，1 2 = 3 五8 ，z 0 2 短路时，1 2 = 五8 ； 微带线匹配网络的优缺点： 优点：简单，实用，可以实现任何匹配电路，在m m l c 电路制作过程易于实现 缺点：要在基片上钻孔或开槽 3 4 负载牵弓 功率放大器设计方法【1 9 i 有很多种：小信号s 参数法，大信号s 参数法，负 载线匹配，负载牵引方法等。在不同的条件下选择不同的方法。每种方法都有它 的侧重点。 3 4 1 小信号s 参数 小信号s 参数已经为很多人所熟悉，它通常在宽频带范围内，固定集电极偏 置条件下，很容易得到。现代的“网络分析仪”让这一测试越发准确和简化，从 2 0g a n 基h e m tm m l c 关键技术的研究一一微波功率放人器的分析与设计 而使得小信号r f 放大器的设计更加系统化和简单化。用于分析和优化宽带放大 器从而保证其稳定运行的软件已经发展成熟。这使得设计方法得到了长足的进步。 然而当设计者进入高功率r f 领域，马上会遇到几种器件参数分析方法问题。 首先得理解所谓“大功率”的含义，通常这一概念是指1 w 至几百w 这一大 致范围。在这一功率水平，小信号s 参数不再能用于确定源和负载反射系数，更 不用说增益和稳定性圆或者单向化设计等等。这是因为射频功率放大器早已不再 是线性的。s 参数，只是对于那些运行在小信号线性条件下的器件才能得到的。 小信号s 参数在低功率线性放大器设计中得到了广泛的应用。但在大信号功放设 计中却不能满足要求。输出电路对最大r f 饱和功率优化，但不一定对最大线性 功率。就是说无法直接计算1 d b 压缩点输出功率。而且也无法直接计算放大器的 双音互调性能：i m 3 ，i m 5 ，i p 3 和i p 5 。为了计算这些重要参数，设 计师必须依靠测量法或“经验”。m e s f e t 放大器的两个重要“经验”是： p l d b 比p s a t 约低l d b 。( 对b j t 大约为2 d b ) i p 3 比p l d b 约高l o 一1 2 d b 。 3 4 z 大信号s 参数 简单的说，在大信号时应用网络分析仪来测量s 参数，得到的结果就是所谓 的大信号s 参数，据报道已有人成功的测量并应用了这样的参数，但是输出功率 超过几瓦特的情况，并没有成功应用的例子【坶】。输出超过几瓦的器件，所要求的 驱动功率电平远超过一般标准网络分析仪所能提供的范围。另外测试大信号s 参 数对网络分析仪是非常危险的。所以，大信号s 参数的获取还是相当困难的。 3 4 3 负载线匹配 当负载的阻抗和源阻抗共轭相等时，源能够提供给负载最大功率值。这是个 基本概念，但在实际应用中往往难以实现。晶体管的电压、电流有自己的极限值， 超过了会毁坏器件。当理想信号源被实际器件代替时，输出到负载上的电流受限， 导致输出功率远小于期望值。负载线匹配的概念j 下是基于充分利用晶体管最大的 电流电压波动的考虑，选择合适的负载阻抗值。 从负载线图( 图3 1 4 ) 得到，得到最大输出功率的最佳负载月。表达式如下： r 叫：堕堕 ( 3 - 9 ) 第三章g a n 基功率放人器的分析与设计 2 l 此时输出功率最大。 。= 江帆沪吉掣= 扣嘞，c 。一 如果r r 删， 舷= 三掣 如果 尺 l ， i l ，i i o 。d 、 芝 p o u t d b m 图3 3 7 三阶互调随输出功率变化曲线幽 0 幽3 3 8 稳定冈子及反射系数曲线 从图3 3 8 看，在3 3 7 g h z 频段内，k 1 ，i i 知，因此几乎全部高频能量都集中在金属带之间的 介质材料内。如果屏蔽盒上下两盖板之间的距离足够大，随之和两端口对地 的分柿阻抗z 2 和z 3 必然很高。而且由于结构对称，z ，* z ，。它相当于具有阻 抗补偿的巴伦，故可以在很宽的频带内满足平衡条件。 3 8 g a n 基h 酬t 姗i c 关键技术的研究一一微波功率放火器的分析与设计 4 2 3 共面微带线巴伦【2 2 j 图4 5 是表面带状线的结构图。它与普通微带线不同之处是传输线的地平板 圈4 5 表面带状线结构图 和中心带线都在基片的同一平面内。这种结构的主要优点是：制造简单、可以得 到较高的特性阻抗z o 及可以采用低损耗高占，的介质基片。由于其具有平面结构， 必然便于与其他元件连接。同时在共面微带线中传播的电磁场结构具有椭圆极化 区，便于用来制作非互易铁氧体器件，所以得到广泛应用。 用表面带状线做成的共面巴伦如图4 6 所示。在介质基片上光刻腐蚀三条平 行耦合带，将基片下面的地板腐蚀掉，便形成了表面传输线。中心带线左右两侧的 金属带在输入端通过金属化孔与基片下面的地板直接相连，巴伦输出端中心带线 与个侧边带子相连，形成平衡输出端的一个端口；另一侧边的金属带可作为 另一个平衡输出端口。两个侧边金属带长都近似为旯4 ，这样，在两个平衡端 都并联了终端短路的四分之一波长线。因此，共面巴伦的工作频带是很宽的。 图4 6 共面微带巴伦 第四章g a n 基推挽联功率放大器 4 2 4 共面微带r c h a n d 巴伦 自从m a r c h a n d 在1 9 4 4 年提出巴伦结构忙3 以来，人们已经发明了多种巴伦结 构。早期的同轴线巴伦被广泛应用于天线馈电，后来出现了使用带线的平面巴伦： 平面m a r c h a n d 巴伦包括两个祸合部分，可以通过微带耦合线i 渊、兰格( l a n g e ) 耦合器、多层耦合结构【2 6 】等来实现。由于平面m a r c h a n d 巴伦制作简单，带宽 宽等特点，更使它在单片微波集成电路( m m i c ) 中得到广泛的应用。 i n d z 。k ( a ) 同轴线结构 m - - 呻- - ( b ) 微带线结构 图4 7 典型的m a r c h a n d 巴伦 r 典型的m a r c h a n d 巴伦同轴线结构及微带结构如图4 7 ( a ) 、( b ) 所示，都等效成如 图4 7 ( c ) 所示的电路。由该等效电路可知，输入端连接电长度为眈、特征阻抗为 z a 的传输线；开路的补偿段等效为电长度为皖、特征阻抗为z b 的传输线；短路的 腔体被等效为电长度为气、特征阻抗为z a b 的并联短路传输线；输出连接线电长度 为岛、特征阻抗为z d ( m a r c h a n d 巴伦电长度一般都取中心频率的五，4 ) 。 则该网络的a 矩阵如下： 4 0 g a n 基h 雕t 删i c 关键技术的研究一一微波功率放大器的分析与设计 _ 口删= ，。彩历絮别+ ：珊 。l _ ，s i n ) 历c o s 眈) iio l j k 。b 劢扎。黝鬻) 阻a ， l _ c o t 吧6 ) z 曲l ju s i n 仍) z dc o s 仍) j 其输入阻抗z n 为z 。= 糍 对于m a r c h a n d 巴伦，有如下对称方程【2 7 l ： z a + z d = z b + z a 俨z o + r ( 4 5 ) ( 4 6 ) 微带m a r c h a n d 巴伦由两部分耦合线构成，本文先对微带耦合线进行分析。 2 l 萱| 4 8 小对称稍合微币线不葸i 釜i 不对称( 两耦合微带不等宽) 耦合微带结构如图4 8 所示，其方程如下【2 s 1 ： 一竺1 = z l f i + z 。f 2 ( 4 7 a ) 一警_ z 2 ”引l ( 4 - 7 b ) 一! ：y l v l + y 。v 2 ( 4 7 c ) 一产= y l v l + y 卅v 2 【4 一，c ) 一孕：y 2 v 2 + _ y m v l( 4 7 d )一产= y 2 v 2 + _ y m v l4 。，d ) 其中，2 和乃( i 2 1 ，2 ) 分别是单位自阻抗和单位自导纳；z 。和y 。分别是单位 互阻抗和单位互导纳。 不对称耦合微带用c 模( 同相) 和石模( 反相) 来描述，对应的参数有：传播常数 和，电压比r 。和r 。，特征阻抗z c l 、乙2 、z ，1 、z 。2 ，特征导纳匕l 、匕2 、 第四章g “基推挽联功率放大器4 1 1 石l 、1 石2 。 对于图4 8 网络的阻抗矩阵 z 】表达式如下【2 8 】： z n z = 篙筹+ 鬻 z z = z z - = z ，。= z ，= 兰群+ 兰气案 ：一兰! ! ! ! ! 塾兰! ! 一兰g ! ! ! 坐兰! ! 月万( 1 一心r 石)r 。( 1 一r 石r 。) z ，= z ，- = z ：。= z 。z = i i _ 二j 弓+ i f 二页： z m2z t2 石二j 了委赫+ 石_ = 1 _ 焉赫 z z z = z ，= 一j i 揣一；乏测 ：兰! 壁! 堂型+ 益! 蟹! ! 尘型 1 一r c l r 1 一r 口 r c z 2 3 = z ，z = 而+ 而 相应的导纳矩阵 y 如下： 轮”兰筹+ 篙鬻 写：= y 2 t = y 3 。2y 4 。= 一j 嬲一j 乏畿 k 3 = 圪l = y 2 4 = y 4 2 k 4 = k 1 = 一 匕l ( r 石一r 。) s i n h ，。， y c l k l - l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ：! - ：! - - - - - - - - - - - 一 ( r c r 万) s i n h ，0 ， l ( 1 一r 。r 。) s i n h ，。，( 1 一r 丌尺。) s i n h ，石， 圪z = b ，= 一；揣一；芝榭 耻轮而+ 而者而 如果耦合微带是对称( 等宽) 的，即此时 震c = l 和r 口= 一1 z c l = 乙2 2 z 偶模阻抗 z 。l = z 。2 = z o 。一奇模阻抗 ( 4 8 a ) ( 4 8 b ) ( 4 8 c ) ( 4 8 d ) ( 4 8 e ) ( 4 8 f ) ( 4 9 a ) ( 4 9 b ) ( 4 9 c ) ( 4 9 d ) ( 4 9 e ) ( 4 9 f ) ( 4 一l o a ) ( 4 - 1 0 b ) ( 4 一l o c ) 4 2 g a n 基h e m t 删i c 关键技术的研究一一微波功率放大器的分析与设计 可以采用奇偶模方法对耦合微带进行分析。 在实际应用中，由于单边耦合的耦合度不够，高的耦合度又使得两耦合微带线 之间距离过小，在实际上难以实现。为了解决这个问题，出现了多边耦合和双边 耦合。在共面设计中，一般都采用双边耦合。 双边耦合微带m a r c h a n d 巴伦【2 9 】如下图所示： 幽4 9 共面双边耦合微带m a r c h a n d 巴伦 双边耦合主要是对单边耦合进行改进而形成的：为了增加平衡端口和不平衡端 口之间的耦合度，将平衡输出的两条耦合线分成关于输入中心带线对称的四条带 线，并在平衡输出端口处采用空气桥将两边的带线跳接在一起，进行强制短路。 这样，每段五4 耦合线都由单边耦合变成双边耦合，大大增强了耦合度，耦合缝 隙宽度增加了很多，在实际中比较容易实现。 4 2 5 共面双边耦合微带m a r c h 8 n d 巴伦设计 图4 1 0 共面双边耦合微带m a r c h a n d 巴伦示意图 由于本研究主要是m m i c ，所以巴伦采用共面双边耦合微带m a r c h a n d 巴伦结构。 取z 产z b = 5 0 q ，r = 1 0 0 q ，电长度都取兄4 ，介质基片是衬底为s i c 的g a n 材料， 第四章g a n 基推挽联功率放大器4 3 微带线厚度为1 ，肼，中心带线两边的微带线采用空气桥进行连接，接地使用过孔。 设计中着重考虑了两个地方，第一就是中心带条的缝隙( 图4 一l o 中圆圈部分) ， 该缝隙的长度没有定值，必须根据所设计的巴伦，利用软件对其长短进行调试： 第二就是输出端到负载的五4 线，由于中心耦合缝隙较小，这两根线非常容易产 生耦合，严重影响整个巴伦的性能。为了减少耦合，将输出连接线做了两次拐角， 如图4 1 0 所示。 利用a n s o f t 的h f s s 对巴伦进行设计、仿真，电磁仿真结果如下： 一 j il r f g h z 圈4 1 1 ( a ) 相位 图4 1 l ( b ) s 参数 4 4 g a n 基h e 盯嘲i c 芙键技术的研究一一微波功率放人器的分析与设计 图4 一1 1 ( c ) s 参数 幽4 一1 1 微带m a r c h a n d 巴伦仿真结果 从图4 1 1 ( a ) ( b ) 可以看出，微带m a r c h a n d 巴伦在2 8 g h z 频段内，输入匹配， s 2 t 和s 3 1 的幅值曲线重合得非常好，曲线相当平坦，s 2 i 和s 3 l 的相位差也满足 1 8 0 。5 。，达到了宽带宽、等幅反帽输出的目的。 但是，从图4 一1 1 ( c ) 可以看出，s 2 2 最小值才一7 5 d b ，s 3 3 最小值爿4 7 d b ，输出 端口不匹配；s 2 3 最低值为一1 2 d b ，而最高值竟达到一5 d b ，两输出端口之怕j 的隔离 非常差，在删i c 中，特别是在推挽联功率放大器中，这种情况是不能接受的。本 文将对这种情况进行分析。 当微带m a r c h a n d 巴伦的耦合系数满足定条件时，巴伦的s 矩阵如下： qj | 矗一j | 风 阎姚。i ，乏1 2 1 2 l ( 4 州) i 一，2 1 2l 2 l 从( 4 一1 1 ) 可知，m a r c h a n d 巴伦是一个无耗互易网络，根据定理：无耗互易三 端口网络不可能完全匹配，即三个端口不可能同时都匹配。所以m a r c h a n d 巴伦的 输入端口匹配时，输出端口必然不匹配，隔离度也不高。 目前，对巴伦的研究工作大部分都集中在m a r c h a n d 巴伦的宽带宽和小型化上 忽略了巴伦输出端口的匹配及隔离度。 为了解决巴伦输出端口的问题，本研究在巴伦的输出端口加上一个电阻网络， 该电阻网络由一根兄2 的微带线和两个分别与负载阻抗z i = r 2 相同的电阻组 成，其导纳矩阵如下： 吲= 踟：l 渺 第四章g a n 基推挽联功率放大器 加上电阻删络的m a r c h a n d 巴伦s 矩阵变为： o压一同 嘲6 幽= j ，压 o o i ( 4 一1 3 ) l _ j 2 o o j 从( 4 一1 3 ) 可知，加上电阻网络的巴伦，理论上不仅输入匹配、等幅反相输出 而且输出匹配、隔离度高。 图4 1 2 加上电阻网络的m a r c h a n d 巴伦 利用h f s s 进行仿真，仿真结果如下： 图4 一1 3 ( a ) 相位 4 6g a n 基h e m t 删i c 关键技术的研究一一微波功率放大器的分析与设计 f ，g h z 图4 1 3 ( b ) s 参数 f ，g h z 图4 一1 3 ( c ) s 参数 图4 1 3 加上电阻网络的m a r c h a n d 巴伦仿真结果 从图4 1 3 仿真结果可以看出，加上电阻网络的m a r c h a n d 巴伦在2 8 g h z 频 段内，输入匹配，s 2 l 和s 3 l 的幅值曲线重合得非常好，曲线比较平坦，s 2 l 和s 3 l 的相位差也满足1 8 0 。5 。，达到了宽带宽、等幅反相输出的目的。更值得注意的是， 其s 2 2 、s 3 3 、s 2 3 都比较小，s 2 2 、s 3 3 基本都小于- 1 0 d b ，s 2 2 最小达到2 9 d b ，s 3 3 最小达到一2 4 d b ，输出端口匹配；s 2 3 在一2 0 d b 上下波动，最大也就一1 l d b ，输出端 口2 、3 隔离度高。 从上面的仿真结果可以看出，无损互易的三端