（通信与信息系统专业论文）小型微波等离子体功率源的研究.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e eo f s c i e n c e e a s tc h i n an o m a l u n i v e r s i t y 煳煳 u n i v e r s 时 c o d e ：10 2 6 9 n o 51 0 8 1 2 0 2 0 6 4 t hes t u d y o nm i n i a t u r i z e dm i c r o w a v e m i c r o p l a s m ap o w e rs u p p l y s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a is c i e n c ef u n d a t i o n d e p a r t m e n t ： 亘! 星堡! ! = q 坠i 堡 s 鱼i 曼n 鱼星箜；壁h n q ! q g y m a j o r ：g q 卫! 旦! 丛礁i 璺匹i q n 垦n 亟! 坠f o 墅垦! i q n s y 墨! 星地 i n t e r e s t s ： q 墼! 塑堕n i 堡窭i q 塾q !r 垒亟i q墅! 曼g 丛曼n 堡y p r o f e s s o r ：a s s o c ia t ep r o f e s s o rl i a obi n m a s t e rc a n d i d a t e ：l ux i a o c h e n m a y2 0 1 o 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文孙霉诒脓锻箬毒椎一辜雁荪砺窿 ， 是在华东师范大学攻读碛孟博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名：氇篮【速 日期r 年s 月y 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 d 嗖钦础髫高 学位期间在导师指导下完成 系本人在华东师范大学攻读 ) 学位论文，本论文的研究成果归华东 师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管 部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允 许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入 全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版， 采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密”学位论文事， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 、) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名考趔本人签名垒盏瑰 仞i ，年厂月 夕日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 睦进竖硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 朱守正教授华东师范大学主席 高建军教授华东师范大学 陈德智副教授华东师范大学 摘要 小功率微波微等离子体技术是一项近几年发展起来的集微电子( 纳电子) 技 术、微波技术和等离子体技术于一体的高新技术，它是随着m e m s 技术的发展而 发展起来的。将微波等离子体结合m e m s 工艺可使微等离子体的结构和特性发生 巨大的改变。 这种微波微等离子体与其它形式的微等离子体相比，具有很多突出的优点， 如结构简单、使用寿命长、状态稳定，而且无电极污染，本课题的研究意义在于： 通过模块化的设计做到了集小型、便捷的有源集成，同时也顺应了当今m e m s 技 术的发展趋势。 在小功率微波微等离子体源中，微等离子体激励所需的微波功率很小，一般 只有几百毫瓦，甚至几十毫瓦，因此功率源可以与辐射单元进行系统集成。本论 文拟定将目前使用范围很广的蓝牙以及v c 0 ( 压控振荡器) 用作信号源来激励微 等离子体，由于蓝牙信号和v c 0 的输出功率很小，一般在o 1 0 0 m w 之间，这种 微弱的信号不足以激发微等离子体，因此必须对其进行功率放大。通过合理地设 计出功率放大器对其输出信号进行预处理来激励小功率微波等离子体。 关键词：微等离子体，微波有源集成，功率放大器，模块化设计 a b s t r a c t l o w p o w e rm i c m w a v em i c r o p l a s m at e c h n o l o g yi so n eo f t h eh i g h t e c h sw h i c h i sc o m b i n e dw i t hm i c r o e l e c t r o n i c s( n a n o e l e c t r o n i c s ) t e c h n o l o g y m i c r o w a v ea n d p l a s m at e c h n o l o g y i th a sd e v e l o p e dw i t hm e m st e c h n o i o g y t h e m i c r o w a v ep l a s m a u s i n gm e m st e c h n o l o g yh a sab i gc h a n g ei ni t ss t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rf o r n l so fm i c r op l a s m a ，t h em i c r o w a v em i c r o - p l a s m a h a sm a n yo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，l o n gli f e ，s t a b l es t a t ea n d n oe l e c t r o d ep o l l u t i o n t h er e s e a r c ho nt h em i c r o w a v em i c r o - p l a s m as o u r c es h o w s t h a tt h ep o w e rg e n e r a t o ri sm i n i a t u r i z e dt oap o r t a b l es o u r c ew i t ha c t i v ei n t e g r a t i o n a n di ti ss u i t a b l ef o rt h ed e v e l o p i n gt r e n d so fm e m st e c h n o i o g y 1 nal o w - p o w e rm i c r o w a v em i c r o p l a s m as o u r c e ，al o wm i c r o w a v ep o w e ro f o n l yaf e wh u n d r e dm 1 l i w a t t so re v e nt e n so fm i l l e w a t t si sr e q u i r e dt ob eu s e dt o e x c i t e m i c r o p l a s m a t h e r e f o r e ， t h ep o w e rg e n e r a t o rc a nb ei n t e g r a t e dw i t ht h e a n t e n n au n i t i nt h et h e s i s ，b l u e t o o t ha n dv c o ( v o l t a g ec o n t r o n e do s c i i l a t o r ) w h i c h a r ew i d e l yu s e dn o wa r es e l e c t e dt os y n t h e s i z eas i g n a lg e n e r a t o r b e c a u s eo ft h e s m a l lo u t p u ts i g n a lo fb l u e t o o t ha n dv c o ，s u c ha st h es i g n a lo f0 l0 0 m ww h i c hi s n o th i g hs u f n c i e n t l yt oe x c i t et h em i c r o - p i a s m a ，i ti sn e c e s s a 呵t oa m p l i f yi t so u t p u t s i g n a l t h r o u g ht h er e a s o n a b l ed e s i g n i n go f t h isp o w e ra m p l n e r ，t h el o w p o w e r m i c r o w a v ep l a s m ac a nb ee x c i t e db yp r e - p r o c e s s i n gt h eo u t p u tp o w e rs i g n a l k e y w o r d s ：m i c r o _ p l a s m a ，m i c r o w a v ea c t i v ei n t e g r a t i o n ，p o w e ra m p l i n e r m o d u l a r d e s i g n 小型微波徽等离子体功率源的研究 目录 第一章引言1 1 1 研究背景和意义j 1 1 2 国内外研究现状和进展1 1 3 论文的主要工作和创新之处4 。 第二章 功率放大器特性参数6 2 1 概! 述6 2 2 功率放大器主要技术指标6 2 2 1 工作频率，6 2 2 2 稳定性6 2 2 31d b 功率压缩点一8 2 2 4 功率效率和功率附加效率8 2 2 5 互调失真，9 2 2 6 交扰调制失真1 0 2 2 7 增益平坦度1 1 2 2 8 功率增益1 1 2 2 9 谐波失真一1 3 2 2 10 邻近信道功率比a c p r 一1 3 一 第三章功率放大器原理1 4 3 1 放大器的工作状态一1 4 3 1 1a 类工作状态一1 4 3 1 2b 类工作状态一1 4 3 1 3a b 类工作状态1 5 3 1 4c 类工作状态1 5 3 1 5d 、e 类工作状态一1 6 3 1 6f 类工作状态1 6 3 2 匹配网络一1 6 3 2 1 用微带线设计匹配网络1 7 一1 一 小型微波微等离子体功率源的研究 3 2 2b o d e f a n a 约束条件一1 8 3 3 偏置网络一1 9 3 3 1 双极结晶体管的偏置网络一2 0 3 3 2 场效应晶体管的偏置网络一2 3 一 第四章功率放大器设计一2 4 4 1 研究方案综述一2 4 4 2 直流偏置及稳定性分析一2 6 4 3 匹配网络的构建2 8 4 4 功放电路的s 参数测试3 2 4 5 谐波平衡仿真分析3 3 4 6im d 3 以及im d 5 电路参数的测试3 4 4 7 功放电路的良率分析一3 6 4 8 功放电路的实物设计一3 8 第五章有源可调衰减器设计4 0 5 1 原理简述一4 0 5 2 仿真设计4 1 第六章总结与展望一4 3 6 1 论文总结一4 3 6 2 展望一4 3 参考文献一4 5 作者研究生期间发表论文一4 8 一 致谢4 9 一 一2 一 小型微波微等离子体功率源的研究 1 1 研究背景和意义 第一章引言 小功率微波微等离子体技术“。是一项近几年发展起来的高新技术，它集微电 子技术、微波技术和等离子体技术于一体。它是随着m e m s 技术发展起来的。将 微波等离子体与m e m s 工艺相结合可以使得微等离子体的特性和结构发生巨大的 变化。这种微波微等离子体与其它形式的微等离子体相比，具有如下优点：使用 寿命较长、结构简单、状态稳定，无电极污染、更易与其它m e m s 器件集成等等， 因此该项技术近些年来受到越来越广泛的关注，已成为一个研究的热点。 微等离子体源能产生微等离子体( 可控制的小尺寸放电) ，微等离子体的应 r 1r 0 1 用主要集中在如下几个方面儿：质量、离子机动性和光发射分光计等；杀菌消 毒、细胞疗法、生物兼容涂层等：刻蚀、沉积、净化和表面处理等以及u v 光源等 r 1 雎。但在便携式设备中的微等离子体源有其局限性如：真空度要求高、功率小等。 因此，研究小功率、常压下的微等离子体源成了近些年来研究热点，因为其避免 了使用大功率源以及昂贵庞大的真空泵，降低了系统成本及系统的不可靠性等。 1 2 国内外研究现状和进展 对于微离子体激发源目前的研究主要集中在：微型电感耦合等离子体激发源、 微型电容耦合等离子体激发源及微波开口环谐振器等离子体激发源等。 国外的微波等离子体源研究始于上世纪七十年代 踟。1 9 7 5 年r e i n b e r g 申请了 电容耦合等离子体源的专利，其结构是高频功率加到两块平行平板上以产生等离 子体，这种结构能够很容易的生成密度均匀、大口径的等离子体，由于等离子体 的产生和衬底偏置之间存在有耦合作用，因此容易产生电极溅射、并在电容壁上 形成单极电极，从而引起放电不稳定等现象，而且其产生的等离子体密度不高( 约 在1 0 1 6 m 一3 量级) 6 3 啪。 对于常用的电感耦合等离子体激发源而言引，它采用的是1 3 5 6 m h z 的射频信 一1 一 小型徽波微等离子体功率源的研究 号作为电源，其利用电感线圈将射频信号功率耦合到反应气体中，如图l 所示： 线圈在射频电流的驱动下，激发出变化的磁场从而感应出回旋电场。电子在有旋 电场的加速下作回旋运动，并且与反应源气体分子碰撞将其电离。由于电子的回 旋运动增加了气体分子的碰撞，电感耦合等离子体可产生密度为1 0 1 7 m 1 0 1 8 m 。3 的等离子体，其能独立控制离子能量和等离子体密度9 1 堋。 石 _ 燃_ 甲石笋- 一 摹疰经 覆层 图l 几种常见的电感耦合等离予体装置不恿图 微带开口环谐振器 2 1 1 1 1 等离子体激发源的实质是将一段两端开路的半波长 微带传输线绕成环状，在中间留出一定的缝隙，并且在偏转角度为o 处馈电，当 谐振器工作在第一谐振奇模，缝隙两端电压相位差1 8 0 。即当一端电压最大时， 另一端为最小，这样在缝隙处就可以获得最大的电势差，从而激发并维持等离子 体放电。如图2 所示，这种结构中阻抗变换段会损耗部分功率，从而影响功率传 输给谐振器放电，另外其尺寸较大，因此就出现了将九4 阻抗变换段去掉，而直接 在环上找到阻抗匹配点。这样做的好处是简化了结构，而且同时降低了匹配网络 的损耗功率，如图3 所示。 缝 p 墅配冽络 1 c 环l 考攘器 蛭 放电缝骧 图2 加入v 4 阻抗变换段的开口环谐振器 一2 一 小型微波徽等离子体功率源的研究 s o 欧姆s m a 接头 放电缝隙 图3 直接开口环微带谐振器 r 0 1 在国外等离子体有源集成的研究中“，w i l l i a mfd i v e r g i l i o 申请了一项 美国的专利，其原理图如4 ( b ) 所示。通常都是采用r f 信号发生器作为信号源， 通过5 0 欧姆的同轴电缆连接到功率反馈计，功率反馈计可以根据接收到的信号控 制驱动电机从而达到控制匹配网络的输出，可调匹配网络都有可调电容组成，然 后通过电感耦合器连接到等离子体产生装置用于激发等离子体的产生，其系统框 图如图4 ( a ) 所示。但是自从将振荡器技术集成到等离子体源中，我们仅仅需要 的是直流供应源而不再需要射频信号发生器，这样大大降低了系统的复杂度以及 成本，在保证了可靠性的同时更利于小型化的研究。 ( a ) 传统等离予体系统的结构框图 戌薯蝴e 蝇蝴懈错 ? j：i ：、 ；霜曩毫| | ；? o：咖毒， 己。匕= ：= ： ( b ) w i l l i 硼fd i v e r g i l i o 提出的改进原理图 一3 一 嚣轿0 ，p。= = 一 小型微波徽等离子体功率源的研究 ( c ) h o p w o o d 提出的有源集成的系统框图 ( d ) h o p w o o d 系统结构的等效电路 图4 国外等离子体有源集成研究成果 r1 此外，h o p w o o d 申请了另外一项美国专利u “，其系统结构框图如图4 ( c ) 所 示，这是一个单片电感耦合等离子体产生装置。该系统由四部分组成：电感线圈、 耦合电容、负载电容以及驱动电路。振荡器的作用是产生射频信号能量，将气体 激发成为等离子体。驱动电路和线圈耦合，使电路保持谐振，该系统的等效电路 如图4 ( d ) 所示。该设计思想和w i l l i 硼fd i v e r g 订i o 一样，都将信号源和等离 子体产生装置集成在同一模块中，顺应了m e m s 技术的发展需求。 r 1 在国内等离子体有源集成的研究中钏，成都理工大学设计了频率以及输出 功率可调的表面波等离子体激励源。该系统由五部分组成：信号源、功率放大单 元、匹配电路、功率检测电路和系统控制单元。信号源采用a d i 公司的p l l v c o a d f 4 3 6 0 一7 ，内部集成了整数n 合成器和压控振荡器( v c 0 ) 。通过改变v c 0 外置电 感决定输出的中心频率，该系统的输出频率在8 5 0 9 5 0 m h z 。利用a d l 5 3 3 0 进行两 级功率放大，通过a d 8 3 1 8 和c 8 0 5 1 f 0 2 0 模块进行功率检测和控制输出功率，最终 实现了表面波等离子体的激发。该设计将等离子体产生装置、信号源以及外围的 控制电路完全集成在系统模块中，实现了小型化设计的思想。 1 3 论文的主要工作和创新之处 在小功率微波微等离子体源中，微等离子体激励所需的微波功率很小，一般 只有几百毫瓦，甚至几十毫瓦，因此功率源可以与辐射单元进行系统集成。本论 文的创新之处就在于：借助于国外等离子体有源集成的思想，拟定将目前使用范 围很广的蓝牙以及v c 0 ( 压控振荡器) 用作信号源来激励微等离子体，由于蓝牙信 号和v c 0 的输出功率很小，一般在o 1 0 0 m w 之间，这种微弱的信号不足以激发微 等离子体，因此必须对其进行功率放大。通过合理地设计出功率放大器对其输出 一4 一 小型微波傲等离子体功率源的研究 信号进行预处理来激励小功率微波等离子体，模块化的设计做到了集小型、便捷 的有源集成，也顺应了m e m s 技术的发展趋势。对于要研制的功率放大器来说，本 论文通过对其偏置电路以及匹配网络等参数的设计使其满足特性要求以及达到 便于集成的目的。 出于有源集成及小型化的要求，研究的主要工作包括：挑选合适的蓝牙信号 源模块以及v c 0 模块，并针对该信号源选择符合要求的功放晶体管，设计研制出 功率放大器。具体工作如下：将飞思科尔提供的晶体管模型库导入到a d s 模型库 中，根据放大器的要求和晶体管特性确定偏置电路，然后查看其稳定性。接着进 行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、去耦及直流扼流等，确定仿真类型( s 一 参数仿真、谐波平衡仿真、负载牵引仿真、交调失真仿真等) 、仿真参数，以及 a d s 环境所需的一些变量，对所设计电路进行仿真，分析仿真曲线并得到结论， 随后对设计的功放电路进行良率( 成品率) 分析并生成用于制作实物的版图，最 后再用仪器对该实物的具体特性进行测试，验证该功放电路的可行性。 本文结构如下： 第一章，引言，介绍本论文的研究背景及意义，国内外的研究现状及进展， 以及本论文的主要工作和创新之处。 第二章，功率放大器特性参数，介绍功率放大器的各项重要性能指标。 第三章，功率放大器原理，介绍功率放大器的工作状态以及直流偏置、去耦 电路以及输入输入匹配网络搭建的原理。 第四章，功率放大器设计，构建出完整的功放电路，并对其进行相关性能指 标及电路参数的仿真分析。 第五章，可调衰减器设计，为了迎合市场上更多型号的激励源能对功率放大 器提供信号，本文特地设计了一款有源可调的衰减器。 第六章，总结与展望，对本论文的工作进行总结，并指出下一步研究方向。 一5 一 小型微波微等离子体功率源的研究 2 1 概述 第二章功率放大器特性参数 随着各种无线通信的发展，大大加速了半导体器件和射频功率放大器的研究 进展。在无线通信的环境中，射频功率放大器起着至关重要的作用，它的设计好 坏可以影响整个通信系统的性能，所以，无线通信系统中需要设计性能良好的功 率放大器。 功率放大器( p a ) 在整个无线通信系统中是重要的一环，因为它的输出功率 决定了通信距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。 2 2 功率放大器主要技术指标 2 2 1 工作频率 工作频率 1 6 】1 8 1 是指放大器应满足全部性能指标的连续频率范围。砷化镓场 效应管功率放大器的工作频率是从一吉赫到几十吉赫，而硅双极型晶体管功率放 大器和硅金属氧化物场效应管功率放大器的工作频率是从3 0 0 瑚z 到4 g h z 。 2 2 2 稳定性 放大器稳定性可利用两端口的s 参数来检验。考虑到源和负载阻抗的情况， 参数s 1 2 和s 2 1 可能会形成维持振荡的反馈环路。作为一个理想放大器，s 1 2 为零， 则该放大器会无条件稳定。假如s 1 2 o ，则对应于任意z l 的输入反射系数n n 和对 应于任意z s 的输出反射系数r o u t 可以表示为： 驴s 1 1 + 谶 ( 1 ) r o u t _ s 2 2 + 糕 ( 2 ) 假如电路是无条件稳定的，则任意的源和负载可以接到电路的输入或输出端 而不会出现振荡。为保证无条件稳定，需同时满足以f e t 的s 参数表示的下述不 小型微波微等离子体功率源的研究 等式： i s l l i 1 ， i s 2 2 i 1 ( 3 ) m n i 1 ， l i 0 u t i 1 ( 4 ) 对于l r s i l i 、， 一 2 i s l 2 i i s 2 1 i 717 稳定性因子k ( r o l l e t t 因子) 的意义在于：当k 1 时，对所有的无源信源 和负载终端，f e t 是条件稳定的1 钉。 当且仅当l l = i s 儿s 2 2 一s 1 2 s 2 1 i 1 两项同时成立，则在选定 的工作频率和偏置条件下，该放大器在整个s m i t h 圆图内始终都处于稳定的状态， 是绝对稳定的。 假如电路是无条件稳定的，则获得最大功率增益的条件是r i n = 聪和 r o u 。= 咒。对同时共轭匹配求解，得到所需匹配的反射系数，并用r s m 和r l m 表示 为： r s m ：坠譬 ( 6 ) r l m = 坠譬 ( 7 )ll m2 百万一l ， 式中： c 1 = s 1 1 一d s ；2 c 2 = s 2 2 一d s ；1 d = s 1 1 s 2 2 一s 1 2 s 2 1 b 1 = 1 + i s l l l 2 一i s 2 2 1 2 一l d l 2 b 2 = 1 + i s 2 2 1 2 一i s l l l 2 一i d l 2 匹配增益 1 9 】( m g ) 之值为： m g = 创( k 一厄刁 c 8 ， 如果电路是潜在不稳定的( k + 孚c o s o p 一) f + 。c o s 彩 ( 1 4 ) 由上式看出，一个调制信号和一个非调制信号可以被看成四个独立的信号，写成 圪g ) = kc o s 彩一f + c o s 缈p f + c o s 国。，+ c o s 缈，r ( 1 5 ) 其中，_ = _ = 去吃；= 国p + 国。，缈，= 缈，一缈。 在输出信号中，交扰调制失真出现在+ 和。一处，由于 国胛+ 国m2 国刀+ 国g 一国p2 缈肝+ 国p 一国， 功。一功。= 彩。一- g 一功p ) = 缈。一- p 一功，) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 这就可以把交扰调制边带看成是四个信号( 、嘶、。和嗡) 引起的三拍 失真分量。 一1 0 小型微波微等离子体功率源的研究 2 2 7 增益平坦度 增益平坦度1 7 3 说明功率放大器增益在一定频率范围内的变化大小。增益平 坦度应该是在5 0 q 负载情况下定义，由于组成实际系统的部件存在不同程度的 反射。因此，实际系统并不是理想的5 0 q 系统，故系统的增益平坦度比各个部 件测出的增益平坦度要大。 在放大器中，如果信号端和负载端接得不是理想的5 0 q 时，增益平坦度会 变坏，最坏情况是： g = g 】。+ 【g 】l 其中： ，i i ( v s w r ) a 一( v s w r ) s ( 或l ) 川 g 1 s ( 或l ) 2 1 0 1 9 i1 一j 于诱瓦可聂瓦- f i 西赋li 一吣f 1 - | 黑一1 2 1 ， 一1 0 培1 1 - i 丽而丽丽赢ii 0 8 ) 式中：g 总增益起伏量； g s ( 或l ) 信号端( 或负载端) 增益起伏量； ( v s w r ) a 放大器驻波比； ( v s w r ) s ( 或l ) 信源端( 或负载端) 驻波比。 在一些要求苛刻的系统中，必须采用c a d 技术，精确计算功率放大器带内的 增益起伏。同时，尽可能减小输入、输出驻波比对增益起伏的影响。 2 2 8 功率增益 通常可以从两个指标来衡量： 1 、小信号增益：当输入多少的功率时，就会依照其放大器来放大，这是理想的 放大器，但事实上这是不可能做得出来的。一个真正的放大器会因其放大管 之特性不同而有不同的饱和区，以致会导致其在一个区段内的增益有所不同。 2 、输出功率增益比：在不同的输出功率，其增益也会有所不同。故有些放大器 会特别标示，其在多少的输出功率时的增益是多少。 一】一 具体的定义如f ： 转换功率增益( g t ) 1 8 定量地描述了插入在信号源与负载之间的放大器增 益： 负载吸收的功率p l g t2 雨磊丽丽2 瓦 对于一个双端口网络： g t = 丽= 翳斜鬟 ， 嘶2 丽了霜孤f 酉瓦f 瓦瓦西浮 u 叫 式中： 一 z l ，s z o 吒，s 。丽 s 参数是在输入和输出阻抗为5 0 q 时测得的，而接到网络的源阻抗z s 和负 载阻抗z l 为任意值。 如果定义了输入、输出反射系数r i n 和r o u t 后，该式可以进一步简化为： g t = 制裂黼 c z o ， 哳2 1 f 可可不= 西可广 峥w 或： g t = 掣甓器 对于单向换能器功率增益，令反向功率增益为零( 即， ( 2 1 ) i s l 2 1 2 = 0 ) 。这时， g t 变为o = 坠坠二型塑二型2 ( 2 2 ) 嘶u = 可f 酉忑涵= 珏币f 卜纠 当r s = s ；1 和r l = s ；2 时，则可以获得最大单向功率增益，此时网络在输入和 输出端口共轭匹配。这时的最大单向功率增益称为最大资用增益，可以表示为： g a “t u m2 面面持犏 ( 2 3 ) 因此，最大资用增益是接在阻抗为z o 的源和负载之间的晶体管换能器功率 增益l s 2 1 1 2 与由于匹配输入端口所得的增益增量【( 1 一i s l l l 2 ) 一1 】，以及匹配输出端 口所得的增益增量【( 1 一i s 2 21 2 ) 一1 】三者之积。 功率增益的定义是负载吸收功率与放大器输入功率的比值： 一1 2 小型微波徽等离子体功率源的研究 ， 负载吸收功率 p lp lp a ， p a l t = = 一= _ 一= i t 午- 一 。 放大器的输入功率 b np ab n u 1 p i n 进一步化简后可得： 2 2 9 谐波失真 ，、 ( 1 一l r l f 2 ) i s 2 1 1 2 b2 百丁i 同r 骊 ( 2 4 ) 当功率放大器输入单一频率信号时，在输出端除了放大原信号外，原信号的 各次谐波也被放大，因此极可能干扰到其他频带，故在系统中均有明确的规定信 号的谐波衰减量。 2 2 10 邻近信道功率比a c 限 由于功率放大器的非线性效应影响，当信号通过功率放大器时会产生频谱扩 散现象。中心频率为f c 、频宽为b l 中的功率与距离中心频率f o 、频宽为b 2 中 的功率的比值即为a c p r 。 一1 3 小型微波微等离子体功率源的研究 第三章功率放大器原理 微波晶体管功率放大器工作状态与低频晶体管功率放大器一样，有a 类、a b 类、b 类、c 类、d 类、e 类及f 类几种工作状态，分类的方法也相同，不同的工 作状态适用不同的需要。 3 1 放大器的工作状态 3 1 1a 类工作状态 如图7 所示，功率放大器在信号周期内始终存在工作电流，即导通角为3 6 0 0 ， 此时，功率放大器处于a 类工作状态。 a 类放大器是所有类型功率放大器中线性度最高的，其功率元件在输入信号 的全部周期内均导通，但其效率太低，在理想的状态下效率仅仅只有5 0 ，而在 实际的电路中，则仍限制在3 0 以下。 3 1 2b 类工作状态 图7a 类放大器的工作状态 b 类放大器的功率元件只在输入正弦波之半周期内导通，即导通角仅为1 8 0 0 ， 其效率在理想状态下可达到7 8 ，但在实际电路中所能达到的效率不会超过6 0 。 由于b 类互补对称功率放大器工作在零偏置状态。而b j t 导通要求一定的基 极电流i b ，因此，当输入信号低于某一值时，管子不通导，即在信号周期内出现 一段不工作区，使信号失真，这种现象称为交越失真，如图8 所示。 一1 4 小型微波微等离子体功率源的研究 3 1 3 加类工作状态 图8b 类放大器的交越失真 为了减小和克服交越失真，通常使晶体管具有较小的正偏置，使集电极静态 电流是最大设计值的1 l o 。此时，功率放大器处于a b 类工作状态，如图9 所示，导通角e 略大于1 8 0 0 。 i ， 图9a b 类放大器的工作状态 a b 类功率放大器的特性介于a 类与b 类放大器之间，其功率元件偏压在远 比正弦波信号峰值小的非零直流电流，因此导通角大于1 8 0 。但远小于3 6 0 。 一般情况下，其效率介于3 0 6 0 之间。 3 1 4c 类工作状态 如图1 0 所示，功率放大器在信号周期内存在工作电流的时间不到半个周期， 即导通角0 小于1 8 0 0 。此时，功率放大器处于c 类工作状态。 一1 5 小型微波微等离子体功率源的研究 图1 0c 类放大器的工作状态 c 类放大器其输出波形为周期性脉冲，必须并联l c 滤波电路后，才可得到 所需要的正弦波。在理论上，c 类放大器的效率可以达到1 0 0 ，但在实际电路中 仅能达到约6 0 的效率。 3 1 5d 、e 类工作状态 d 类和e 类的功率放大器基本上都是所谓的开关模式放大器，其原理是将功 率元件当成开关使用，并借助输出级的滤波及匹配网络使得输出端得到完整的输 出波形。 3 1 6f 类工作状态 f 类功率放大器可以算作c 类功率放大器的延伸，它们的偏置方式大致相似， 但是f 类放大器在功率管输出端与负载间加入了谐波控制电路，目的为了提高效 率。在理论上它们都可以达到1 0 0 的效率，但是在实际电路中仍受到开关切换 时间等因素的控制而无法达到理想值。 3 2 匹配网络 在射频电路设计中，阻抗匹配网络的构建是很重要的一环口3 3 泓3 盈朝。阻抗匹 配的目的就是使负载阻抗与源阻抗共轭匹配，从而获得最大的功率传输，并使馈 线上功率损耗最小。如果要实现上述匹配功能，通常需要在源和负载之间插入一 个无源的网络，这种网络就称为匹配网络。 一1 6 一 小型徽波微等离子体功率源的研究 阻抗匹配的概念贯穿在射频电路设计的始终，它意味着源传递给负载最大的 r f 功率，换言之，要实现最大的功率传输，必须使负载阻抗与源阻抗匹配。然 而，它的功能不仅仅局限于实现功率传输，事实上，许多实际的匹配网络并不是 仅仅为了减小功率损耗而设计的，它们还具有其他功能，如：减小噪声干扰 、提高功率容量和提高频率响应的线性度等。通常认为，匹配网络的用途就是实 现阻抗变换，目的就是将给定的阻抗值变换成其他更加适合设计要求的阻抗值。 微带线的线长与电路的工作频率有关，所以在低频电路的应用中，如果用微 带线的方式来设计匹配网络则会导致电路板面积过大而不适用，通常的做法就是 使用l c 分立器件进行匹配。但是在高频电路中，原先的集中参数己不适用，都 是用分布参数的方法分析，因此微带线得到了广泛的应用。 3 2 1 用微带线设计匹配网络 加工，并且容易与其他无源和有源的微波器件集成。微带线是准t e m 模式，它的 相速、传播常数和特征阻抗可以有静态或准静态解获得 2 羽。 微带线的有效介电常数可以解释为一个均匀媒质的介电常数 2 6 2 ： 铲彳+ 手万赢丽 2 5 ) 式中：r 为介质基片的介电常数；d 为介质基片的厚度；w 为金属板的宽度。 给定微带线的尺寸，特征阻抗可以计算为： z 。：f 亏芝l ng + 等) 1 2 。嚣1 、 。2 6 ，z o21 1 2 0 w 7 ( 拍j i 忑阡瓦再忑砜翮 百扎j 如果给定特征阻抗z o 和介电常数，可得： 罟2 摩岫叫，+ 斟旷聃吣9 一书鬻， 一1 7 小型徽波徽等离子体功率潦的研究 z o a = 丽+ 蓦( o - z 3 十书 ( 2 7 ) b ：黑 ( 2 8 ) b 2 瓦露 ( 2 8 ) 把微带线考虑成一个准t e m 线，则源于介电损耗的衰减可以确定为： 仅d = k o r ( e 一1 ) t a n 6n p ( 2 9 ) 式中：t a n 6 是介质的损耗角正切。它考虑了围绕微带线的场部分在空气中( 无耗) 、 部分在介质中这一事实。源于导体损耗的衰减近似如下： 仅。：黑等 ( 3 0 )仅s2 丽il 州j 其中，r s = 丽是导体的表面电阻。对于绝大多数微带基片，导体损耗比介 电损耗更为重要。 微带线匹配电路分为单枝短截线匹配和双枝短截线匹配，微带单枝短截线匹 配电路由串联的微带线和并联的终端开路短截线或终端短路短截线构成，单枝短 截线匹配电路具有良好的通用性，它可在任意输入阻抗和非纯电抗负载之间形成 匹配。但这种匹配电路的主要缺点之一就是需要在短截线与输入端口或短截线与 负载之间插入一段长度可变的传输线，它将给可调型匹配器带来困难。为了解决 上述问题，就提出了双枝短截线匹配网络结构，它由两段开路或短路短截线并联 在一段固定长度的传输线的两段。传输线的长度通常为1 8 、3 8 或5 8 个波长。 在高频的应用中，更多采用3 8 和5 8 个波长的间隔，以便简化可调匹配器的结 构。 3 2 2b o d e f a 舱约束条件 对某些标准类型的负载阻抗，b o d e f a n a 约束条件 2 9 给出了用任意匹配网络 获得的最小反射系数幅值的理论极限。该约束条件表征了可以达到的最佳效果， 在实际中这只是近似的结果。然而，该最佳结果给了我们性能的上限并且提供了 一个可与实际设计比较的参照标准。 一1 8 一 小型微波微等离子体功率源的研究 r ( 图1 1 匹配r c 并联的无耗网络 图1 l 显示了用于匹配并联r c 负载阻抗的无耗网络，其b o d e f a n a 约束条件 为： 卜志船孟 ( 3 1 ) j 。1 n 而丌d 面丽 ( 3 1 ) 其中，r ( 面) 是向任意无耗网络看去的反射系数。假定反射系数响应的带宽为面， 将其带入上式中可得： j ：- n 南d 面= f 面n 去向= 面- n 去三 c 3 2 ， 由此可以得出以下结论： 对于给定的负载( r c 乘积固定) ，只有以通带内有较高的反射系数( r m ) 为 代价，才能达到较宽的通带( 面) 。 通带内的反射系数r m 不能为零，除非面= o 。所以只有在有限个频率上能达 到完全匹配。 当r 和或c 增加时，匹配质量( 面和或1 r m ) 必须降低，所以高q 电路 本质上比低q 电路更难于匹配。 3 3 偏置网络 偏置电路的设计2 1 3 2 3 1 是直流电路的设计，偏置电路的作用是在特定的工作 条件下为放大器等有源电路提供适当的静态工作点，以保持有源电路工作特性的 恒定。 偏置电路是直流的通路，射频电路是射频交流信号的通路，偏置电路与射频 电路是不可分割的两部分，但希望直流的通路与射频交流信号的通路之间能够完 全隔离，以消除直流与射频交流信号之间的耦合。 一1 9 小型微波微等离子体功率源的研究 通常，偏置电路与射频通路之间的连接可以采用以下几种方案： 1 ) 在直流源与射频电路之间连接一个电感，即通常所说的射频扼流圈。 2 ) 在直流源与射频电路之间连接一个1 4 波长的阻抗变换器，阻抗变换器的特 性阻抗应很高，其可以对射频信号产生很高的阻抗。 3 ) 将一个大电容作为负载接于1 4 波长阻抗变换器的终端，可以有效地短路可 能泄漏到偏置电路中的射频信号。 3 3 1 双极结晶体管的偏置网络 偏置网络可以分成两种类型：无源网络和有源网络。无源网络( 即自偏置 网络) 是最简单的偏置电路，由电阻网络构成，作用是为射频晶体管提供合适的 工作电压和电流。但是这种偏置网络的主要缺陷是对晶体管的参数变化十分敏感， 并且温度稳定性较差。为了解决这些问题，通常都采用有源偏置网络2 7 1 绷。 i 冀 lr 2 l i i _ m il l r f c _ 2 厂函： l 一 ( a ) ( b ) 图1 2 共发射檄工作状态下，射频双极结晶体管的无源偏置网络 在图1 2 中，隔直电容和连接到基板以及连接到集电极的高频扼流圈一起将 射频信号与直流电源隔离开。在高频工作状态下，高频扼流圈通常更换为1 4 波长的阻抗变换器，这时传输线可将c b 端口的短路状态变换为晶体管端口的开路 状态。 一2 0 小型微波徽等离子体功率源的研究 图1 3 共发射极工作状态下，射频双极结晶体管的有源偏置网络 图1 3 是双极结晶体管共发射极电路的有源偏置网络，其中采用一个低频晶 体管q 1 为射频晶体管q ：提供基极电流。电阻r 5 与晶体管q 1 的发射极相连提高了 静态工作点的稳定度。如果晶体管q 1 和q 2 具有相同的温度特性，这种偏置网络 将具有良好的温度稳定性。 图1 4 采用低频晶体管和两个二极管构成的有源偏置网络 图1 4 是另一种用于双极结晶体管共发射极电路的有源偏置网络，其中二极 管d 1 和d 2 为两个晶体管的基极一发射极p n 结提供了参考电压。电