（电磁场与微波技术专业论文）微波功率合成放大技术研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 在无线通讯信号发送设备中，为了保证足够远的传输距离，都要对传输 信号进行足够的放大再由天线辐射出去。随着半导体工艺的不断发展，微波 固态功率放大器的输出功率和频率都不断提高，但是功率仍然有限。所以需 要对功率合成技术进行研究，把多个器件的输出功率组合到一起，以满足输 出功率的要求。 本文对多种功率合成技术进行了介绍，综合效率、输出功率、可行性、 体积、重量等各方面因素后，决定采用平面电路功率合成技术，该功率合成 放大器采用三级放大电路实现，在末级放大器位置使用w i l k i n s o n 和分支线 耦合器两种功率合成网络，最后一级放大器采用g a a s 放大器，利用a d s 软 件仿真了直流曲线来决定静态工作点，在做匹配时，同时采用负载牵引和源 牵引来决定最佳输出输入阻抗，利用集总和分布参数元件结合的方法设计了 匹配网络，最终利用谐波平衡法仿真得出了结果。又利用a d s 分别设计了 w i l k i n s o n 和分支线两种功率合成分配网络，然后用a n s o f td e s i g n e r 进行了更 进一步的2 5 d 电磁仿真，最终测试较符合仿真的结果。 最终的放大器装配在r 0 4 0 0 3 介质上，l d b 压缩点输出功率大于4 2 d b m ， 在3 0 0 m h z 带宽上增益大于4 5 d b ，获得了良好的性能。 关键词：功率放大器；功率合成；w i l k i n s o n 功分器；分支线耦合器；负载牵 引 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns i g n a ls e n d i n ge q u i p m e n t s t h er e q u i r e m e n to f s e n d i n gt h es i g n a lt oe n o u g hd i s t a n c en e e d st oa m p l i f yt h es i g n a lt oac e r t a i nl a r g e o n ei no r d e rt or a d i a t es i g n a lf r o mt h ea n t e n n at of r e es p a c e w i t hd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y , t h eo u t p u tp o w e ra n d f r e q u e n c yo fm i c r o w a v es o l i d s t a t ep o w e ra m p l i f i e ri n c r e a s e si nah i g hs p e e d ，b u t t h eo u t p u tp o w e ri ss t i l ll i m i t e d s ot h e r ei san e e df o rr e s e a r c ho np o w e r c o m b i n e dt e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n em o r eo u t p u tp o w e rt o g e t h e rf r o md i f f e r e n t c o m p o n e n t si no r d e rt of u l f i lt h er e q u i r e m e n to fo u t p u tp o w e f i nt h i st h e s i s ，f i r s to fa l l ，t h ei n t r o d u c t i o no fd i f f e r e n tp o w e rc o m b i n e d t e c h n o l o g y , a n da f t e rt h ec o n s i d e r a t i o no ne f f f i c i e n c y , o u t p u tp o w e r , f e a s i b i l i t y , s i z e ，w e i g h ta n do t h e rf a c t o r st h i st h e s i sd e c i d e st oi m p l e m e n tt h ep o w e ra m p l i f i e r w i t h2 dc i r c u i tp o w e rc o m b i n e dt e c h n o l o g y t h e r ei st h r e es t a g e si nt h i sp o w e r a m p l i f i e ra n dc o m b i n i n go u t p u tp o w e rw i t hw i l k i n s o np o w e rd i v i d e ri n t ot h ef i n a l a m p l i f i e r t h ef i n a ls t a g ea m p l i f i e ru t i l i z i n gg a a st r a n s i s t o ri ss i m u l a t e di na d s o nd ci v - c u r v et os e tt h e q u i e s c e n tp o i n t ，a n dt h ei m p e d a n c em a t c h i n gi s i m p l e m e n t e do nl o a d - p u l lt e c h n o l o g yb o t hu s i n gl u m pc o m p o n e n ta n dd i s t r i b u t e d c o m p o n e n t ，a n dt h e f i n a lr e s u l ti sf r o mh a r m o n i c b a l a n c e d s i m u l a t i o n a f t e r t h a t ，d e s i g no fw i l k i n s o np o w e rd i v i d e ra n db r a n c hl i n ec o u p l e ri sa l s oc a r d e do u t o na d sa n dt h es i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ta g a i no na n s o f ld e s i g n e rf o rt h em o r e p r e c i s er e s u l t ，a n dt h ef i n a lt e s tr e s u l ti sc l o s et ot h es i m u l a t i o nr e s u l t t h ep o w e ra m p l i f i e ri sa s s e m b l e do nr 0 4 0 0 3s u b s t r a t e ，w i t h4 2 d b m o u t p u t p o w e ra t ld bc o m p r e s s i o np o i n t ，i n3 0 0 m h zb a n d w i d t ht h eg a i ni sm o r et h a n 4 5 d b ，t h er e s u l th a sg o o dp e r f o r m a n c e p o w e ra m p l i f i e r ；p o w e rc o m b i n e ；w i l k i n s o np o w e rd i v i d e r ； b r a n c hl i n ec o u p l e r ；l o a d - p u l l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：鸳屹簿 日期：如g 年，月f 髟日 哈尔滨t 程火学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 无线通信系统的发送设备中，为了保证足够远的传输距离，待传输信号 需要经过一系列功率放大直至获得足够大的功率再送至发射天线 1 1 。用行波 管等电真空器件虽然可以实现高功率输出的放大器，但是结构复杂，重量大， 体积大，不利于系统的小型化，而且效率低，功耗大，还存在着可靠性低等 问题，限制了其在各种系统中的应用。固态功率器件具有可靠性高，体积小， 重量轻，可靠性高，使用电压低，维护方便，温度适应性较好等优点，成为 了现在设计功率放大器时很好的选择。随着半导体材料和工艺的不断发展， 微波功率半导体器件的输出功率量级越来越大，但限于半导体物理的特性限 制，单个固态器件的输出功率仍是有限的。采用功率合成技术将多路固态器 件输出功率进行同相叠加，是获得更高输出功率的有效途径之一，同时，功 率合成技术还能在一个或几个源失效的情况下保证系统继续工作而不至于完 全失效，只是性能要下降一些。 1 2 各种合成技术的简介 自从上世纪六十年代以来，功率合成技术就引起了国际上的广泛关注， 经过三十多年的发展，大致可以划分为四类：芯片级合成，电路合成，空间 合成，以及混合多级合成的方法【2 1 。 1 2 1 芯片级合成 芯片级功率合成主要基于m m i c 技术，在同个固态器件内，将多个独 立的有源芯片直接并联或串联起来，实现多芯片结构，以在稳定的振荡或放 大过程中获取更高的输出功率。最先提出芯片级功率合成概念的是 j o s e n h a n s 3 1 ，他将三个i m p a t t 二极管芯安装在同块金刚石热沉上，使它 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 们的电性能上串联，在热传输路径上并联，这种连接方式提高了输入阻抗， 降低了热阻，在1 3 g h z 得到4 5 w 的输出功率，从而最早实现芯片级功率合 成。 图1 1 功率合成分类图 芯片级功率合成具有电路性能稳定，频带宽，效率高，体积小等优点， 然而，芯片级合成有如下限制，由于芯片合成的特殊性，在同一个芯片上将 多个管芯直接并联或串联，若合成数量增多，势必引起阻抗匹配的难度，而 且芯片绝大部分面积用于无源匹配和合成传输线的制作，传输损耗相对较高， 合成效率受影响。随着频率升高，各芯之间的距离相对于工作波长而言，已 不在可以忽略了，合成芯片数目增大，信号到达每个芯时，将不再认为具有 相同的电磁场环境，也会降低合成效率。对功率器件而言，散热一直是首要 考虑的问题。由于各芯片间距离很小，工作时相互的热作用是不可避免的， 每个芯片实际散热面积很小，若合成芯片数目过多，加大了器件散热难度， 在微波频段，尤是如此。总之，即使工艺水平不断发展，仅靠芯片合成提高 功率输出能力是十分有限的。 2 哈尔滨：i ：程大学硕士学位论文 1 2 2 电路合成 为了进一步提高系统的输出功率，在仅仅依靠芯片级功率合成无法达到 所需功率的基础上，电路合成是一种行之有效的功率合成方式，也是目前比 较常用的功率合成方式之一。电路合成技术是通过功率合成网络把两个或多 个功率放大单元组合在一起，从而给出较大的输出功率。它的优点是各功率 合成单元之间的相互影响较小，调整方便，匹配性能良好 4 1 。电路合成不受 合成单元必须放在小于波长区域内的限制，根据合成方式所采用的电路形式 不同，可分为谐振式功率合成和非谐振式功率合成两种合成方式。 谐振式功率合成是将多个单独固态器件的输出功率通过耦合的方式耦合 到合成腔体内以提高整个电路的功率输出，这种合成方式在二极管器件上的 应用，特别是振荡合成，已经十分成熟了，其优点主要是：由于器件功率直 接耦合到谐振腔内合成并输出，基本上没有路径损耗，合成效率高；工作频 率高，可用于直到3 0 0 g h z 的多管功率合成；结构简单，可作为多级混合功 率合成的基础组件；器件之间的隔离较好。主要缺点是：合成电路q 值高， 工作带宽窄，而且可用于合成的器件数目受腔体模式问题限制而不能太多， 这是因为，随着合成器件的增多，频率的升高，腔体空间会越来越小，各种 不连续边界所产生的模式将变得越来越复杂，从而严重影响合成器工作的稳 定性，合成效率以及最终的输出功率。 非谐振式合成方式是将多个功率单元通过功率分配合成网络连接起来， 获得更大的功率输出。其特点是：工作带宽主要由功率分配合成网络决定， 一般来说，都大于谐振式合成，功率分配合成网络为各合成单元间提供了一 定的隔离，从而基本消除了由单元间的相互作用引起的不稳定，合成效率主 要由各单元输出信号之间的相位，幅度平衡性，以及合成电路本身的损耗决 定。按不同的电路合成方式，有三种类型： 1 3 d b 电桥合成：实用的3 d b 电桥有：两路w i l k i n s o n 电桥【5 】，3 d b 环形电桥 等。见图1 2 。 哈尔滨。i ：程大学硕十学位论文 出 图1 23 d b 电桥用于功率合成的原理框图 2 链式合成：图1 3 简略描述了链式合成的基本原理f 6 1 。理想情况下，合成电 路中，第n 级合成对该级输出功率p 的贡献为1 n ，即该级的耦合度为 1 0 1 9 n ( d b ) 。原则上可以继续将耦合度为1 0 1 9 ( n + 1 ) ( d b ) 的第n + i 级级联在第 n 级之后，以提高输出功率，直到满足要求为止。但是，耦合器本身的损耗 会影响合成效率，而且级数越多，耦合越弱，耦合器的制作精度得不到应有 的保证。 图1 3 链式合成结构 3 多路合成：多路合成采用的合成电路有多路w i l k i n s o n 电桥，径向线，r u k e r 电路，以及锥形波导电路结构等。合成电路中采用了阻性材料提高各合成单 元之间的隔离度，并抑制了高次模的激励。由于电路结构的限制，工作频率 4 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 很难达到6 0 g h z 以上。 1 2 3 空间合成和准光合成 空间功率合成技术 7 1 是2 0 世纪8 0 年代提出的一种功率合成方法，直到 上世纪八十年代后期和九十年代初才开始被人们重视并加以研究。这类合成 方式是利用多个功率辐射单元，以正确的相位关系，在空间实现功率的叠加。 合成后的功率可以通过天线接收，也可以将合成功率点在空间位置上直接定 位于高功率需求处。电路合成中，功率由有源器件直接通过合成电路耦合到 平面传输线上，而空间和准光合成中，功率由有源器件耦合为大直径的波束， 再通过波束聚焦到空间功率需求点或转换为波导模式输出。大直径的波束横 截面积允许采用的合成单元数更多，从而可以提供更大的输出功率，而所有 的合成单元都处于并联工作状态，损耗基本上与合成单元数量无关，这使得 空间与准光合成在合成单元数目很多时具有十分明显的优势，可以满足高功 率的需求。能量的分配与合成是用低损耗的波导或g a u s s i a n 波束完成，合成 损耗主要由有源器件耦合输出为传播波束以及传播波束耦合到功率接收端口 时引起，而这类损耗可以通过优化设计做的很小。 准光和空间合成的一个重要话题就是对放大器阵列的信号馈入和放大器 输出辐射波的有效收集。在这方面，最引入注目的是波导接口的准光放大器。 馈入时，理想方式是由标准波导模式转换为具有均匀幅度，均匀相位的平面 波，并有效的覆盖准光放大阵列。这样将保证放大器阵列辐射输出形状很好 的波束，同时保证阵列中所有单元同时饱和。若采用波导输出，辐射输出应 有效地收集并转换为波导模式，这类转换要尽量做到损耗小，对输入来说， 是保证增益和躁声系数水平，对输出来说，是保证合成效率与增益水平。当 合成单元不太多，可以将放大器阵列直接置入波导结构中，对于更大的网格 或阵列，则必须采用形状变大的波导，这时，就注意必须要保证阵列被均匀 的照射，且不能牺牲太多的能量在高次模上。图1 4 是波导接口准光合成的 示意图。 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 准光学放大器 ； 髓； ( b ) 图1 4 波导结构的准光放大器：( a ) 大阵列情况( b ) 小阵列情况 1 2 4 混合合成多级合成 由前面举例可以看出，实际功率合成基本上都采用了多级合成。根据实 际情况，利用以上几种合成技术各自的优点，做到性能互补，以最经济的代 价做到最高效的功率合成。通常，芯片级合成为第一级，电路合成为第二级， 若还需要的话，最后一级采用空间合成。以碟状放大器为例，在使用的m m i c 中采用了芯片级合成和w i l k i n s o n 电桥电路合成，在以电路合成技术构成单 个碟，最后采用空间合成技术实现整个放大器。 1 2 5 其他合成方式 除了上面提到的合成方式外，还有介质波导，推挽电路，阵列合成等其 他合成方式 8 1 。 1 3 本文的主要工作 本课题来自于实际任务需求，旨在研究功率放大器和功率合成技术的原 理，要求在s 频段实现较大的连续波功率输出，并有较高的合成效率，为了 解决微波频段单个器件输出功率有限的问题，在分析了各种功率合成技术工 作原理及优缺点基础上，在综合考虑可行性，体积，重量，效率，输出功率 后，本文提出了一种采用基于平面电路合成方式的3 d b 电桥方法来实现功率 合成放大器，采用两路等分w i l k i n s o n 功分器和分支线耦合器作为基本功率 合成网络，实现两路的功率合成放大。 6 哈尔滨t ：程大学硕+ 学位论文 功率放大器作为无线通信系统中的重要部件，其物理尺寸和输出功率大 小直接影响整个系统的工作性能，单个功率器件的输出功率有限，当需要大 功率输出时有必要进行利用功率合成技术，第一章主要综述了国内外常见功 率合成技术，从芯片级功率合成，电路级功率合成，到空间合成，混合多级 合成等方式。 半导体器件是功率放大器的核心部分，对于微波功率放大器来说有多种 可以选择的半导体器件，不同的器件功率密度，工作频率，增益，线性度， 噪声都不同，根据不同的需要选择半导体器件是设计功率放大器的首要工作， s 参数是设计放大器是所需要的基础理论，也是线性放大器的一项主要参数， 用s 参数可以得到功率增益，驻波等参数指标，第二章介绍了分析与设计微 波功率放大器是所需要的理论，首先是微波功率放大器主要使用的各种有源 器件，以及放大器所需要的双口网络理论，列举了功率放大器的主要技术指 标。 由于本设计采用的是平面电路形式的功率合成方法，所以功率合成分配 网络是决定功率合成效果的关键器件，第三章对功率分配器和定向耦合器进 行了理论分析，着重介绍的是三端口w i l k i n s o n 功率分配器和四端口分支线 耦合器。由奇偶摸技术导出两种合成网络的s 参数。 接下来是功率合成放大器的具体实施方案，包括前级放大器和驱动放大 器的选择，末级放大器的a d s 仿真设计，这里主要用的是负载牵引技术，在 匹配上采用的是集总元件和分布元件结合的匹配方式，对末级功率放大器的 性能进行了仿真，提高了一次设计成功的几率。接下来是对功率合成网络的 仿真设计，主要使用的是a n s o f td e s i g n e r 软件，很好的预测了功率合成网络 的实际参数，最后是对三级放大器供电的直流模块的设计。 第五章是对设计完成的两种功率合成放大器进行实际测试和性能分析， 最后对设计结果进行了总结，该放大器具有可靠性高，体积小，加工简单， 调试重复性好，模块化设计等特点。 7 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 第2 章微波功率放大器的理论分析 2 1 微波功率放大器的有源器件 合理的选择微波晶体管是功率合成放大器设计中非常重要的一环，有源 器件的性能直接决定功率放大器的输出功率，效率，带宽和线性度等性能优 劣，甚至于整个功放设计的成败。随着半导体材料的不断改进和创新，经过 5 0 多年的发展，微波晶体管的性能飞速提高，品种r 益繁多。因此有必要简 单介绍一下微波晶体管，比较不同种类器件的性能特点以做出正确的选择。 晶体管的电性能取决于它使用的半导体材料的物理性能。半导体材料的 击穿电压和热导率决定晶体管的功率输出能力，禁带宽度和电子迁移速率决 定其高频应用能力，电子的热运动性能决定噪声。因此，选择晶体管首先要 选半导体材料。本节主要论述的是结型晶体管和场效应晶体管 9 1 - 【1 3 】。 2 1 1 结型晶体管 结型性晶体管包括双极性晶体管( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ，b j t ) 和异质结 双极型晶体管( h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r ，h b t ) ，它既可以是n p n 结构也 可以是p n p 结构。b j t 是于1 9 4 8 年由b a r d e e n 和b r a t t a i n 两人在先前的a t & t b e l l 实验室中发明的，自此5 0 年来得到一系列改进和提高。早先开发的点接 触单一器件的晶体管，现已扩展增生一大群复杂形式的器件，硅双极性晶体 管属于第一代半导体材料，属于元素半导体，硅双极性晶体管由于低成本并在 频率范围，功率容量和噪声特性方面有良好的工作性能，因而已成为使用年 代最长的和最流行的有源器件之一。硅双极性晶体管功率放大器可应用到几 个g h z 的频段，单管连续波输出功率在几百m h z 频段高达2 5 0 w 。虽然随 着半导体技术不断发展，b j t 似乎不再是主角，但在低于1 g h z 的频率上， 硅双极性晶体管仍是固态设计的首选二端1 3 器件。因为在数字领域里硅衬底 的加工方法很多，而且它的热电阻和1 f 噪声要比g a a s 的低，所以对于设计 8 哈尔滨t 挥大学硕十学位论文 师来说，这个器件仍然是个重要角色。双极性晶体管最著名的模型就是 e b e r s m o l l 模型，是用它最初提出者的名字命名的。此外还有在e b e r s m o l l 模型基础上考虑了许多附加特性而提出的g u m m e l p o o n 模型。 异质结双极性晶体管的结构特点是具有宽带隙的发射区，大大提高了发 射结的载流子注入效率。h b t 的功率密度高，相位噪声低，线性度好，单电 源工作，虽然其高频性能逊于p h e m t ，但它特别适合于高效率功率放大器， 宽带放大器中。在微波频率，用g a a sh b t 代替功率m e s f e t 或h e m t 更 有前途。但是与s i 相比，g a a s 是一个很差的热导体，在h b t 里热效应要比 在b j t 里更趋于主导地位。在2 0 世纪9 0 年代，h b t 作为高速晶体管首次商 品化，有时把a i g a a s g a a sh b t 简单称为g a a sh b t ，它是在1 1 型g a a s 集 电极和n 型a i g a a s 发射极之间用p 型g a a s 作为基极制成的。因为h b t 与 b j t 器件性质上的相似性，对h b t 的建模出发点就是b j t 的模型，也就是 g u m m e l p o o n 模型，只不过h b t 在工作区要比b j t 更趋于线性，h b t 还具 有高温度和高电流效应，这就需要对g u m m e l p o o n 模型进行修正，目前为止 b j t 的g u m m e l p o o n 模型在大信号条件下不能始终适合的模拟h b t ，研究 论文提到了许多模型，但是目前为止还没有被普遍认可的h b t 模型1 1 4 1 。 除此之外，还可以在s i 里面用s i g e 代替g a a s 里的a 1 g a a s 来制作h b t ， 而且近几年制造的器件已经减小了通常由硅制造工艺造成的速度限制，硅的 使用提供了比g a a s 更好的承受力和导热系数，与c m o s 制造工艺也有很好 的兼容性。可以在8 英寸晶片上做处理，所以成本也比较低。基极发射极接 通电压也比g a a sh b t 的低( 0 8 v 对1 2 v ) ，这就允许低电压工作。s i g e 的主 要缺点是硅制造工艺的低击穿电压，限制了它的最大输出功率，s i g eh b t 在都是硅的轻掺杂n 型集电极和1 1 型发射极之间采用一个适当掺杂的p 型 s i g e 基极形成三明治结构，对于功率器件，尽管与g a a sh b t 相比，其最后 的电流密度和输出功率仍旧要小些，常用一个轻掺杂的厚集电极来增大基极 集电极击穿电压和改善线性。保持低电流密度有助于避免器件里的热点，否 则对于功率性能无益，通过把器件叠加起来，增大总电流容量，就可以达到 9 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 较高的功率。 除了s i g e 和a i g a a s ，用许多其他i i i v 族原料如i n p , i n g a p 和i n g a a s n 制作的h b t 正日益增多，其中i n g a ph b t 由于它的低拐点电压，有时低至 0 5 v ，在3 v 供压时它能够高效工作，因而特别适用于便携式移动工作方式。 与a i g a a sh b t 相比，i n g a ph b t 的电流增益更加不随温度而变，而且由于 能够精确地控制它们的蚀刻深度，所以更容易制造，它们还具有极佳的线性， 其i p 3 点常常比l d b 压缩点高出1 5 d b 。 2 1 2 场效应晶体管 场效应晶体管( f e t ) 可有多种类型，包括m e s f e t ( m e t a ls e m i c o n d u c t o r f e t ，金属半导体f e t ) ，h e m t ( h i g he l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r ，高电子迁移 率晶体管) ，p h e m t ( p s e u d o m o r p h i ch e m t ，假晶态h e m t ) ，m o s f e t ( m e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o rf e t ，金属氧化物半导体f e t ) ，m i s f e t ( m e t a li n s u l a t o r s e m i c o n d u c t o rf e t , 金属绝缘物半导体f e t ) ，h f e t ( h e t e r o j u n c t i o nf e t ，异质 结f e t ) 和l d m o s f e t ( 1 a t e r a ld i f f u s e dm o s f e t ，横向扩散金属氧化物半导体 f e t ) 。 f e t 晶体管技术已持续发展了5 0 年以上，第一个结型场效应晶体管是 在2 0 世纪5 0 年代开发出来的，而g a a sm e s f e t 的广泛应用始于2 0 世纪 8 0 年代，并从此开始将固态晶体管技术引入微波频率，g a a sm e s f e t 在微 波和毫米波应用中是最常见的晶体管之一，与s i 相比，g a a s 的禁带稍宽且电 子迁移率是硅的5 倍，有利于制作需要在较高功率和频率下工作的器件，缺点 是其热导率较低，使用频率高约4 0 g h z ，g a a sh e m t 可工作在更高的频率 下。h e m t 的提出则是在2 0 世纪8 0 年代初期，h e m t 被公认为毫米波单片 集成电路和超高速数字集成电路领域中最有竞争力的三端器件，又是一种既 具有优异的低噪声性能并具有功率性能的异质结器件。功率p h e m t 大多为 双沟道结构或多沟道结构，这种结构可以提高器件的电流处理能力和击穿电 压，功率p h e m t 在微波高端和毫米波具有绝对优势。不同于结型晶体管( 它 1 0 哈尔滨t 挥大学硕十学位论文 是由电流控制的) ，f e t 是电压控制器件，它既可以做成p 沟道，也可以做成 1 1 沟道。g a a sm e s f e t 的器件建模分三种：数值模型，半经验模型和分析模 型，大信号模型指的是半经验模型，用等效电路的方法模拟器件，等效电路 中的元件的非线性特性用经验公式表示，经验公式中的参数和电路的线性元 件参数都通过实测来确定，目前常用的模型有【1 5 h 2 u ：c u r t i c e 平方模型， c u r t i c e - e t t e n b e r g 立方模型，m a t e r k a - k a c p r z a k 模型，r a y t h e o n 模型，t r i q u i n t 模型，a n g e l o v 模型，i a f 模型，这些模型都有不同的侧重点，c u r t i c e 立方 的误差较大，在考虑最大误差时r a y t h e o n 和m m e r k a 模型较好，t r i q u i n t 对 漏极电流的描述是最精确的，对于g a a sp h e m t 最好使用a n g e l o v 模型。 l d m o s 能够在较大的动态范围内达到更高的增益以及更低的三阶互调 失真( i m d 3 ) ，同时能够将匹配电路集成到晶体管封装中，因此能够得到具备 更高灵敏度，更高效率，更低失真以及更高功率输出的功率放大器，提供移 动通信基站，h f ，v h f 与u h f 广播用发射器以及微波与航空系统用晶体管。 在基站的功率放大器应用上，l d m o s 以更高的峰值对均值功率比，高增益 与线性度以及满足多媒体服务的更高数据传输率而闻名。 由此可见，微波频段可用于放大器的半导体器件种类工艺众多，选择哪 种器件取决于应用领域的性能要求，复杂程度与成品率，成本等等因素。 2 2 微波功率放大器的基本理论 2 1 1 双端口网络 在微波线性网络中，由于归一化入射波和归一化反射波之间关系是线性 的。因此，在图2 1 中，端e l1 上的归一化入射波a 。和反射波6 。与端口2 上 的归- 4 l a 射波a ：和反射波6 ：之间的线性方程组为： 6 2 b i ：0 2 i = s l lai。+峨sn：a2s a a ： ( 2 - 1 ) 恢22 ii + s 2 22 p 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 s 2 l 口lr 、 口2 一 一 ) 双端口网络 ( 一 写成矩阵形式为： 石= 【s 】a ( 2 2 ) 式中舌= 豳是归一化反射波矩阵一目是归一化入射波矩阵， 吲= 陵乏卜双端口网络的散射矩阵，用它来表征网络的特性。各散射 参数的意义可以从式( 2 3 ) 到( 2 6 ) 的定义得知1 2 2 1 s 。l = 堕i 中。端口2 匹配时，端口1 的反射系数 ( 2 3 ) 口1 s ：= 垒l d i 。端口1 匹配时，端口2 的反射系数 ( 2 4 ) 口，。 。 s ：。= 垒i 垆。端口2 匹配时，端口1 到端口2 的传输系数( 2 5 ) 口，。 s 。：= 堕l 口1 = 。端口1 匹配时，端口2 到端口1 的传输系数( 2 6 ) 口1 。1 2 。1 2 网络匹配 阻抗匹配网络是功率放大器与其它网络相连接时，在保证最大功率传输 时所必不可少的网络结构，它关系到功率放大器的增益，工作频带带宽，输 出功率，带内平坦度，功耗等一系列指标的好坏。根据匹配负载的性质，它 1 2 哈尔滨一 - 1 7 大学硕士学位论文 可分为三类：1 负载为纯电阻的匹配网络2 负载具有电抗性质的匹配网络3 负载具有负阻性质的匹配网络。 在线性网络设计中，为获得最大功率传输，网络通常采用共轭阻抗匹配 方式，但由于功率管输入，输出阻抗呈现非线性，不可能实现共轭匹配，通 常是将5 0 q 负载变换到这样一个阻抗值，其实部可在输入，输出偏置电压下 获得最大输出功率，其虚部可以将晶体管内部的寄生元件调谐掉，该网络变 换成的阻抗称为最佳负载阻抗，也称为动态输出阻抗。功率晶体管的功率增 益本质上是由晶体管的截止频率厶和动态输入输出阻抗乙和z 以确定。由于 功率管输出功率的增大必须使其截面积增大，输入阻抗降低，发射极的引线 电感l 的负反馈影响就增大，其增益表示为： g 。：! 厶丛生：! 五趔堕 ( 2 7 ) p 4 拳r e ( a m ) 4 ( r b + t o r l c ) 式中，r l - 负载电阻r e ( l ) 一动态输入阻抗实部 功率放大器工作于非线性，小信号放大器的网络设计方法不再适用。目 前，通常都采用以下三种方法来设计晶体管功率放大器的匹配网络，即动态 阻抗法，大信号s 参数法和负载牵引法。 1 动态阻抗法 这种方法要求得到大信号工作状态下的动态输入，输出阻抗( 也称最佳 负载阻抗) 。动态阻抗测试原理是，用调配器将功率管调配到最大功率输出状 态，然后分别测出从信号源向功率管输入端看去，从负载向功率管输出端看 去的阻抗，其阻抗值即为动态输入，动态输出阻抗。如图2 2 所示。 输入匹配晶体管输出匹配 2 大信号s 参数法 图2 - 2 动态输入阻抗和动态输出阻抗 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 大信号s 参数可以进行功率放大器的功率增益，稳定性的分析和增益， 平坦度的设计。同时，利用大信号s 参数设计功率放大器时，除了应根据输 出功率的大小选择负载阻抗外，还可以根据绝对稳定条件和潜在不稳定条件 两种情况分别进行考虑。大信号s 参数的测量比较困难，通常采用双信号法 或大电流直流拟合法来测大信号s 参数。 3 负载牵引法 它要求给出对应各种不同的输出功率，功率增益和效率等参数的不同数 据，由计算机进行综合设计，其设计系统较为复杂。 通常对于大功率晶体管而言，厂家多给出功率晶体管最佳输入，输出阻 抗，故匹配网络可按照这两个阻抗进行设计。 2 3 微波功率放大器的主要技术指标 2 3 。1 功率增益 对一个由放大器组成的二端网络( 图2 3 ) 而- g ，设负载阻抗为z ，源阻抗 为z s ，特性阻抗z 0 = 5 0 f 2 ，放大器以s 参数来表示，于是有源阻抗z s 相对 于特性阻抗z o 的反射系数为 b = 精 ( 2 8 ) 负载阻抗互相对于特性阻抗z 0 的反射系数为 l = 糍 ( 2 _ 9 ) 放大器的实际功率增益g 尸定义为传递到负载的功率与由源到网络的资 用功率之比，也就是 2 3 1 卟雨丽戕蒿而 1 4 c 2 = s 2 2 一s ( 2 - l1 ) a = s l i s 2 2 一s 2 s 2 l ( 2 1 2 ) 可见，放大器的实际增益g ，除了与有源器件有关之外，还与所接入的负 载反射系数有关，因此，输出端良好的匹配设计才能保证获得的g ，最大。 转移功率增益g r 定义为负载所得到的功率与信号源输出的资用功率的 比值。信号的资用功率就是信号源所输出的最大功率，也就是在满足共轭匹 配时( r m = r j ) 网络的输入功率。于是有 g 丁：一世1 1 二j 垦! 玉! 二垦亡l ； ( 2 - 1 3 ) l ( 1 一r s s l l ) ( 1 一l s 2 2 ) 一f s f l s l l s 2 2 i 由上式可以看到转移功率增益不仅与器件有关，而且还与源和负载有关， 因此研究负载和源阻抗对放大器的影响可以从转移功率增益g ，入手。 资用功率增益g 。定义为负载所得到的资用功率与信号源输出的资用功 率的比值，它是在网络输出端共轭匹配的情况下得到的，于是有 印雨丽糍蒿高丽p 式中 c i = s l l 一 ( 2 1 5 ) 一5 广 s 1 ls 1 2 li 广习v s 一 晶体管 ( 一 一 s 2 ls 2 2 b l l ，r 图2 3 带有常规源和负载的放大器 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 2 3 2 输出功率 1 饱和输出功率 当放大器的输入功率加大到某一值后，再加大输入功率，并不会改变输出功 率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率，我们用毛r 表示。 ( 如聊) 图2 4 饱和输出功率和l d b 压缩点之间的关系 2 1 d b 压缩点输出功率 当功率放大器增益相对于小信号增益下降l d b 时所对应的输出功率称为 l d b 压缩点输出功率，记作只够。当输出功率超过该点后放大器将迅速进入 饱和工作区。 2 3 3 功率效率和功率附加效率 功率放大器的功率效率7 7 ，是指功率放大器的射频输出功率与供给微波 1 6 哈尔滨t 平旱大学硕十学何论文 晶体管的直流功率之比。它表示了功率放大器把直流功率转换成射频功率的 能力，定义为 r p = 黼 协 2 面慈瓣 。2 。1 6 对于b j t 来说，7 7 p 称为集电极效率，对于m o s f e t 和m e s f e t ，称之 为漏极效应。显然，这种定义并没有考虑晶体管的放大能力，即具有相同功 率效率的两个晶体管的功率增益可以差别很大。在设计功率放大器时，希望 用效率和功率增益都高的功率晶体管。 为此，又给出另一种定义 刁a d d = 型嗜翥学 协 刁。1 蕊丽砑雨一 。z 17 刁删称为功率放大器的功率附加效率，它既反映了直流功率转换成射频 功率的能力，又反映了放大射频输入功率的能力。很明显，用功率附加效率 卵删来衡量功率放大器的功率效率是比较合理的。 2 3 4 工作频带 工作频带通常指放大器应满足其全部性能指标的连续频率范围，放大器 的实际工作频率可能会大于定义的工作频率范围。 2 3 5 稳定系数 放大器必须满足的首要条件之一是在其工作频段内的稳定性，这一点对 于功率放大器非常重要，如果功放在某些工作频率条件下产生震荡，将只有 很少的功率输出，甚至没有功率输出，因此，设计功放时必须首先考虑放大 器在工作频率范围内是否稳定，功率放大器的稳定性可采用小信号s 参数来 判定。 对于有源的二端口网络，根据其稳定性能可分为两类：一类是无条件稳 定或绝对稳定；另一类是有条件稳定或者潜在不稳定。所谓绝对稳定是指当 哈尔滨厂稃大学硕十学位论文 信g - n i g h 抗z s 和负载阻抗z l 为任何值时，放大器都能正常稳定的工作，绝 对稳定可以用稳定性因子判定，条件如下： k ：! 二刚：；二幽瞠 1 ( 2 - 1 8 ) 2 i s l 2 s 2 l 1 2 _ 一 p l d b = 3 9 5 d b m g a i n = 1 0 d b 图4 1 两路功率合成放大的实现框图 2 d b m 输出 由于放大器的频率，带宽和直流供电电压等要求，该放大器选用g a a s 器 件来设计，g a a s 在微波频段性能优良，噪声低，低温特性好，直流电压低。 该放大器要求输出要大于4 2 d b m ，如果合成效率按1 0 0 来算，两个末级放大 器提供3 9 d b m 输出即可，但是效率不可能达到1 0 0 所以末级放大器的输出 功率应该略大于3 9 d b m ，所以初步决定增益分配方案如图4 1 所示，三级放大 器的1 d b 压缩点输出功率必须要大于等于5 d b m ，3 3 d b m ，3 9 5 d b m 才可满 足方案要求。前级和驱动级的主要作用是把信号放大到足以推动末级放大器 工作到我们所需要的输入功率点上，达到我们所需要的输出功率。方案实施 中，前级和驱动级按照方便易用的原则来挑选，因为这两级的输出功率不大， 选择性大，最后一级可采用如下的方案：选择合适的晶体管，设计输入输出 匹配电路，满足设计需求，或者选择厂家已经匹配好的模块。 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 4 2 1 前级功率放大器的选择 前级放大器选择一款可级联宽带i n g a p g a a sm m i c 放大器，是一个可 用于微波放大的基于h b t 技术的低成本高性能放大器，工作频率为 d c 1 2 g h z ，其特点为 1 在2 g h z ，l d b 压缩点输出功率为+ 1 3 8 d b m ，增益1 2 0 d b 2 在6 g h z ，l d b 压缩点输出功率为+ 1 4 。3 d b m ，在1 4 g h z ，l d b 压缩点输 出功率为+ 1 1 2 d b m 3 单电源供电，输入输出阻抗均为5 0 f 2 在本设计所在的中心频率3 0 5 g h z 处也具有大于1 2 d b m 的输出功率。 该放大器主要是为了给驱动级提供所需大小的信号，该放大器的小信号增益 典型值为1 3 d b ，增益平坦度0 6 d b ，输入及输出驻波为2 4 ：1 ，3 d b 带宽达 1 2 5 g h z ，为了满足本设计的要求，可以在此放大器后加入z 型衰减网络来使 输出功率满足驱动放大器的输入功率要求，该放大器的输出功率和增益实测 数据为下图4 2 ，其偏置电路如图4 3 ： r 一 - nk 、 。 k , 7 - 。 + 增益d 日。 ri ) 嚼i g d b m 1 。 奇由奄dd 西1 , 0 o童o7 , 0 输入功率d b m 图4 2 前级放大器增益和功率曲线 o o o o o o o o o o 伽 ! 孽 协 亿 诹 & & 舢 2 锄 日p相卿层jj口斛尽丑臻 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 输入 一， 。 隔直 图4 3 前级放大器典型偏置电路 4 2 2 驱动级功率放大器的选择 驱动级采用的是一款微波m m i c 功率放大器，其典型数据如下： 1 频