微波集成电路与系统 课件 第五章微波放大器

第五章

微波放大器

§5.1微波放大器的定义与分类微波放大器的定义微波放大器的分类Whatisthis——

一种具有功率放大功能的微波元件本质：

一种将直流能量转化为交流能量的转换器Howaboutit——

电真空微波放大器按实现方式固态微波放大器双极型晶体管放大器场效应管放大器微波放大器的定义双极型晶体管放大器场效应管放大器硅(Si)双极结型晶体管(Bipolar

JunctionTransistor，BJT)硅锗(SiGe)和砷化镓(GaAs)异质结双极型晶体管(HeterojunctionBipolar

Transistor，HBT)硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)砷化镓金属半导体场效应晶体管(MESFET)赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)微波放大器的分类Howaboutit——

微波放大器的分类Howaboutit

低噪声放大器(LowNoiseAmplifier，LNA)按功能方式驱动放大器(DriverAmplifier，DA)功率放大器(PowerAmplifier，PA)可变增益放大器(VariableGainAmplifier，VGA)§5.2微波放大器的功能与性能微波放大器的功能微波放大器的性能

（1）带宽（2）功率增益（3）输入/输出电压驻波比(VSWR)（4）输出功率（5）功率附加效率(PAE)（6）交调失真（7）1dB压缩点（8）三阶交调失真Howaboutit-微波放大器的性能

（9）噪声功率（10）噪声宽带（11）噪声因子与噪声系数（12）级联系统的噪声因子Howaboutit-微波放大器的性能

§5.3小信号微波放大器设计微波放大管的类型与选取二端口网络的功率增益小信号微波放大器稳定性分析最大增益设计与双共轭匹配固定增益设计和等增益源固定驻波设计与等VSWR圆低噪声放大器设计微波宽带放大器芯片化设计小信号微波放大器的创新研讨

真空管

高功率、宽频带固态器件

低噪声、高集成度金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)高电子迁移率晶体管(HEMT)耿式二极管关键参数

最大饱和输出功率关键指标工作带宽增益线性度Howaboutit-微波放大管的类型与选取

二端口网络存在以下三种功率增益（1）功率增益：Gp（2）可用功率增益：GA（3）转换功率增益：GTHowaboutit-二端口网络的功率增益

自激振荡的表现器件输入/输出阻抗存在负实部稳定性无条件稳定条件稳定

全部频率范围特定频率范围

小信号微波放大器稳定性分析Whatisthis-稳定性分析

若放大器无条件稳定条件稳定且稳定区位于稳定性圆外条件稳定且稳定区位于稳定性圆内小信号微波放大器稳定性分析Whatisthis-稳定性圆

无条件稳定且稳定区位于稳定性圆外无条件稳定且稳定区位于稳定性圆内小信号微波放大器稳定性分析Whatisthis-稳定性圆

无条件稳定

无条件稳定小信号微波放大器稳定性分析Whatisthis-无条件稳定的检验

小信号微波放大器稳定性分析Howtoimproveit-提高晶体管稳定性的措施

重要公式总结小信号微波放大器稳定性分析输入反射系数

in输出反射系数

out源输入网络的功率Pin网络传输到负载的功率PL源的可用功率Pavs网络的可用功率Pavn功率增益GpHowtoimproveit-提高晶体管稳定性的措施

重要公式总结小信号微波放大器稳定性分析可用功率增益GA转换功率增益GTK-

判据μ判据Howtoimproveit-提高晶体管稳定性的措施

单向化无条件稳定放大器取得最佳增益条件最大增益设计与双共轭匹配Howtorealizeit-单向条件下的最大增益设计

单向化无条件稳定放大器取得最佳增益条件

最大增益设计与双共轭匹配Howtorealizeit-单向条件下的最大增益设计

源和负载共轭匹配时和最大增益设计与双共轭匹配Howtorealizeit-双向条件下的最大增益设计

共轭匹配的解分为三种情况

最大增益设计与双共轭匹配Howtorealizeit-双向条件下的最大增益设计

【例5.3.2】设晶体管NE13700在14GHz频率下的S参数为：S11=0.75∠−132°，S12=0.07∠40°，S21=1.2∠92°，S22=0.66∠−37°，用该管设计工作频率为14GHz的窄带放大器，其最大增益为多少？因为K＞1且，所以晶体管是无条件稳定的。最大增益设计与双共轭匹配实例5.3.2

图5-17失配补偿设计计算双共轭匹配的源反射系数和负载反射系数计算MAG最大增益设计与双共轭匹配实例5.3.2

将功率增益除以晶体管的

，有固定增益设计和等增益圆功率增益圆与负载失配

【例5.3.3】设计一个采用GaAsFET工作在6GHz的放大器，固定其增益为9dB。晶体管偏置在Vds=4V、Ids=0.5IDS处，晶体管的S参数为固定增益设计和等增益圆功率增益圆与负载失配

固定增益设计和等增益圆功率增益圆与负载失配

【例5.3.4】GaAsFET偏置于Vds=5V，Ids=0.5IDS，f=8GHz，S参数为在8GHz时判断晶体管的稳定性，并利用这个晶体管设计一个Gp=10dB的放大器。进一步绘制出功率增益为0dB、10dB、15dB、20dB的等功率增益圆。固定增益设计和等增益圆功率增益圆与负载失配

图5-20条件稳定时输出稳定性圆和等功率增益圆图5-19例5.3.4中的输入/输出稳定性圆固定增益设计和等增益圆功率增益圆与负载失配

将可用功率增益除以晶体管的

，有固定增益设计和等增益圆等可用功率增益源与源失配

输入驻波可以表示为图5-21微波放大器输入部分固定驻波设计和等VSWR圆等VSWR圆

噪声因子定义输出总噪声噪声源无噪声二端口网络低噪声放大器设计Whatisthis-低噪声放大器

二端口网络固有参数

若有：则噪声因子最小：低噪声放大器设计最小噪声因子

圆心和半径低噪声放大器设计等噪声圆

电阻电抗匹配式放大器反馈式放大器平衡式放大器分布式放大器微波宽带放大器主要电路形式

芯片设计模型来源工艺设计套件（PDK）自主开发模型芯片化设计X波段MMIC低噪声放大器

18～56GHz宽频带GaN低噪声放大器8～11GHz低噪声放大器

创新研讨发展历程真空管、晶体管研究方向（1）高频宽LNA场效应晶体管（FET）异质结双极型晶体管（HBT）高电子迁移率晶体管（HEMT）微波低噪声放大器（2）低功耗LNA（3）可重构LNA（4）集成LNA难点宽带匹配、平坦增益、稳定性降低消耗、提高增益和功率灵活开关、调谐和控制解决寄生效应、干扰和互耦小信号微波放大器的创新研讨§5.4大功率微波放大器的设计与制备微波晶体管大功率特性分析微波晶体管功率放大器设计功率合成技术大功率微波放大器的创新研讨

1.微波晶体管大信号效应（1）线性器件（2）非线性器件（3）小信号工作条件（4）大信号工作条件微波晶体管大功率特性分析

2.微波晶体管大信号模型对于微波晶体管，建立模型的步骤主要包括：1.选择模型拓扑2.收集测试数据3.函数近似4.模型实现5.模型检验与验证微波晶体管大功率特性分析导通角控制类功放1.微波晶体管放大器分类A类B类AB类C类

微波晶体管功率放大器设计谐波控制类功放1.微波晶体管放大器分类F类逆F类J类连续类微波晶体管功率放大器设计AB类功放的电路拓扑在电压波形中加入同相三次谐波后的F类功放的总输出电压波形

Howaboutit-负载牵引技术微波晶体管功率放大器设计负载牵引测试结果负载牵引基本测试框图

对于微波晶体管，建立模型的步骤主要包括：1.选择放大器管芯尺寸2.选择电路拓扑结构和匹配网络3.选择偏置电路4.计算最佳负载阻抗5.估算输出寄生电容微波晶体管功率放大器设计Howtorealizeit-利用小信号S参数设计功放

对于微波晶体管，建立模型的步骤主要包括：

7.设计输出匹配网络8.设计输入匹配网络9.优化匹配电路10.确保宽带无条件稳定微波晶体管功率放大器设计Howtorealizeit-利用小信号S参数设计功放

功率合成技术功率合成技术

1.阻抗匹配困难2.高频误差3.散热问题功率合成技术器件级合成

2.电路合成谐振式功率合成非谐振式功率合成3dB电桥合成链式合成多路合成功率合成技术

3.空间功率合成和准光合成1.由W.Lothar等提出的准光功率合成技术2.由K.Chang和T.Iton等提出的自由空间合成技术3.由AmirMortazawi等提出的采用开槽波导的自由空间功率合成器4.由A.Alexanian和R.A.York提出的波导内空间功率合成技术功率合成技术

4.其它功率合成1.推挽功率合成技术2.谐波功率合成技术功率合成技术

功率合成技术芯片化设计输出功率为50W的2.1～2.2GHzMMIC功率放大器20W的X波段HPA（芯片尺寸为5mm×8mm）

1.功率密度和效率提升2.带宽扩展3.线性