第四章 微波晶体管放大器.ppt

1、微波晶体管放大器,概述,放大把微弱的电信号的幅度放大。 一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅度得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，即不失真。,概述,常用的微波放大器,放大器主要技术参数,1.增益（Gain） 对信号幅度放大能力,2.噪声系数NF 放大器对信噪比的恶化,3.输入/出反射系数 放大器与系统阻抗的匹配关系,4.输出功率1dB压缩点 放大器线性功率输出能力,5.饱和输出功率 放大器功率输出能力,6.效率 DC-RF功率转换能力,7.三阶互调抑制度/三阶互调交叉点,概述,微波晶体管放大器的构成,微波晶体管 封装 裸管芯,匹配网络 输入匹配 输出匹配,DC偏置网络,器件参数

2、 （S参数）,匹配电路设计: 最大增益 最小噪声,DC偏置网络设计,概述,晶体管器件的S参数,用S参数表征晶体管特性优势明显,微波晶体管放大器,其他参量（如y、h参量）大都表征网络在开、短路状态下电压、电流关系；晶体管在开、短路状态易于发生振荡，不能得到合适的放大状态电路参量； S参量的确定无需理想开短路要求，适合于分布参数电路系统； S参数是基于入射波和反射波的概念建立的，和实际器件工作状态一致,晶体管S参数定义,端口电压与端口电流用入射波和反射波表示：,引入归一化波的概念：,晶体管器件的S参数,各端口入射波和反射波功率可简单表达：,晶体管S参数定义,晶体管器件的S参数,反射系数,传输系数,

3、晶体管S参数与Zc1和Zc2有关，对不同特性阻抗的测量系统，得到的S参数不同； Zc1和Zc2称为测量S参数的系统阻抗，一般为： Zc1=Zc2=50,单级放大器网络分析,微波晶体管放大器,a1,a2,b1,b2,a1,a2,b1,b2,简化网络：,各端口反射系数,单级放大器网络分析,源反射系数,负载射系数,输入反射系数,输出反射系数,各端口反射系数决定了放大器各种匹配状态工作状态,各端口反射系数表达,单级放大器网络分析,端口1加激励信号源as , 端口2仅接负载,端口2加激励信号源aL , 端口1仅接负载,各端口功率,单级放大器网络分析,V1,I1,放大器输入端加激励源时，,其中，,定义信号

4、源归一化波：,可得：,于是，,其中，,进入晶体管输入端功率,各端口功率,单级放大器网络分析,V1,I1,进入晶体管的功率为:,P1a为信号源资用功率,传输给负载的功率,单级放大器网络分析,对于负载来说，晶体管输出信号可由等效源表示,传输给负载的功率,单级放大器网络分析,P2a为放大器资用功率,增益,单级放大器网络分析,（a）工作功率增益,GP为放大器实际工作中功率增益的量度 GP仅与晶体管S参数和负载L有关,增益,单级放大器网络分析,（b）资用功率增益,Ga为放大器两个端口共轭匹配时产生的功率增益 Ga仅与晶体管S参数和源S有关,增益,单级放大器网络分析,（c）转换功率增益,Gt为放大器实际传

5、送到负载的功率与信号源资用功率之比 Gt与晶体管S参数，源S，负载L有关,在一般情况下:,稳定性,单级放大器网络分析,（一）网络稳定性定义,设网络某一端口的输入阻抗是Z=R+jX,该端口对实数参考阻抗Zc的反射系数为：,当R0时，|1，称该端口绝对稳定； 当R0时，|1，称该端口不稳定。,只要网络中有一个端口不稳定，则整个网络都不稳定； 判定稳定性可由网络端口的输入阻抗是否存在负阻来确定,稳定性,单级放大器网络分析,（二）晶体管稳定性,晶体管放大器绝对稳定是指可选用任何实数源、负载阻抗,|S|1，|L|1，,晶体管放大器绝对的充要条件是,Ks为放大器的稳定系数：,稳定性,单级放大器网络分析,晶

6、体管放大器在不稳定条件下对源、负载阻抗的选择:,(1)晶体管放大器输入端口不稳定时，,经源再次反射进入晶体管的入射波为:,a1,(2)晶体管放大器输出端口不稳定时，,噪声系数,单级放大器网络分析,微波晶体管放大器噪声来源:,热噪声:载流子不规则运动引起的，与器件欧姆电阻相关； 散粒噪声：由于电流流动时载流子运动起伏产生，其大小与电流呈正比； 闪烁噪声：半导体工艺及表面处理等引起的。,热噪声功率：,热噪声电压：可用电阻R产生的噪声电压在fH-fL频段内表示,热噪声模型,噪声系数,单级放大器网络分析,放大器输入噪声功率可等效为信号源内阻产生的热噪声功率,微波晶体管放大器输出噪声是放大器输入噪声功率

7、和放大器自身产生的噪声的组合,Te为放大器等效噪声温度,噪声系数定义:信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数,放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度Te来表达。噪声温度Te与噪声系数NF的关系,式中，T0为环境温度，通常取为300K。 根据公式，可以计算出常用的噪声系数和与之对应的噪声温度，如表所示。噪声系数和噪声温度关系,单级放大器网络分析,单级放大器网络分析,多级级联放大器噪声系数表达为：,低噪声放大器前级对噪声系数的贡献占绝对因素,单级放大器网络分析,晶体管最小噪声系数,经验公式表明，随着工作频率增加，微波场效应晶体管具有比微波双极晶体管更优良的

8、噪声系数,晶体管等效为线性二端口网络，噪声系数表达为：,Rn线性二端口网络的等效噪声阻抗; Ys=Gs+jBs信号源内阻 Ysopt=Gsopt+jBsopt获得最佳噪声系数NFmin时的源导纳,单级放大器网络分析,晶体管最小噪声系数,晶体管等效为线性二端口网络，噪声系数还可表达为：,线性二端口网络的噪声系数完全由可测量的四个参数决定： Nfmin、N(或N)和sopt,微波晶体管放大器设计,晶体管放大器的匹配网络,微波晶体管放大器设计的主要工作是得到合适的输入、级间、输出匹配网络,微波晶体管放大器,输入匹配网络：实现微波晶体管的输入端口与信号源之间的匹配； 输出匹配网络：实现微波晶体管的输出

9、端口与负载之间的匹配； 级间匹配网络：实现前后级微波晶体管的输出端口与输入端口的匹配；,获取最佳功率增益、最佳噪声系数、最佳增益平坦度,1,S,2,L,微波晶体管放大器设计,微带集成匹配网络,微波晶体管放大器,（a）并联型匹配网络,主要用于满足微波低端、窄带需求(T型结的影响）,并联枝节可以是终端开路也可以是终端短路；,根据电纳补偿要求和结构需要来决定并联枝节的开、短路情况，并联枝节的阻抗和长度；,根据电导匹配要求，决定串联线阻抗和长度（一般为g/4）,微波晶体管放大器设计,匹配网络类型,多级级联可实现宽带匹配,（b）串联型匹配网络,串接短线实现复阻抗-实阻抗的变换,g/4线实现实数阻抗的变换

10、,可用于较高频率,微波晶体管放大器设计,微波晶体管放大器设计要点,稳定性是放大器设计的前提,分别选取合适的源、负载阻抗，使得放大器输出端、输入端稳定,在晶体管不稳定的情况下，可采用有耗网络改善放大器的稳定性。,匹配网络选择,最小噪声匹配：s= sopt,最大功率增益匹配：s= 1*,输入匹配网络,输出匹配网络,最大功率增益匹配：L= 2*,级间匹配网络,按要求实现后级输入阻抗与前级输出阻抗之间的匹配，并实现前后级的隔直,增益平坦度和端口驻波比,微波晶体管放大器设计,绝对稳定情况下的设计,1,S,2,L,单向情况下（S12=0）的设计步骤：,（2）当S12=0时，,（1）判定器件稳定性,（3）设

11、计输入匹配网络：,（4）设计输出匹配网络：,微波晶体管放大器设计,绝对稳定情况下的设计,1,S,2,L,双向情况下（S120）的设计步骤：,（2）当S12 0时，,(一)按最小噪声系数设计,（1）设计输入匹配网络：,（3）设计输出匹配网络：,微波晶体管放大器设计,绝对稳定情况下的设计,1,S,2,L,双向情况下（S120）的设计步骤：,（二）按最大功率增益设计,（1）按共轭匹配要求得到输入/出匹配网络反射系数：,（2）设计输入/出匹配网络，实现S0与SM 、LM与L0之间的匹配,微波晶体管放大器设计,潜在不稳定条件下的设计,1,S,2,L,S和L 的选择受放大器稳定性限制：,（2）设计放大器输

12、出匹配网络时，要保证放大器输入口稳定：在L 平面上稳定区选取L；,（3）设计放大器输入匹配网络时，要保证放大器输出口稳定：在S 平面上稳定区选取S；,（1）保证增益要求和噪声系数要求:,GGMin; NFNFMax,潜在不稳定条件下的设计,1,S,2,L,保证功率增益GPGMin的设计步骤,（1）选择晶体管输入口稳定且保证增益的L：,（3）判定晶体管输出端稳定性,（2）确定输入匹配网络S：,（4）,潜在不稳定条件下的设计,1,S,2,L,保证噪声系数NFNFMax的设计步骤,（1）选择晶体管输出口稳定且保证噪声的S：,（3）判定晶体管输入端稳定性,（2）确定输出匹配网络L：,（4）,微波晶体管

13、放大器设计,多级放大器设计,多级放大设计简便，设计效率高， 可任意增加级数（适合n3） 但结构松散,模块化设计方案,每一级单独设计，级间由50线连接,一体化设计方案,不便任意增加级数（适合n3） 结构紧凑,每一级放大器不是单独设计，前后级晶体管匹配和级联由同一级间匹配网络实现,微波晶体管放大器设计,合理选取匹配网络，得到宽带响应：,带宽和带内频响（平坦度）,在频带高端按共轭匹配设计； 频率低端因失配使放大器增益降低,增强稳定性,在晶体管器件端口串、并联电阻，按新的S参数设计。,晶体管|S21|2随频率增加而下降；,采用阻性匹配网络增加稳定性；,微波宽带放大器,平衡式放大器 反馈式放大器 有源匹配放大器 分布式放大器,微波晶体管放大器,微波宽带放大器,平衡式放大器,由90电桥实现两路放大器合成输出；,放大器 电桥,两路放大信号同相叠加，输出功率倍增,在输入/出口两路反射波反相抵消，可实现良好的输入、输出驻波比,要求两路信号具有良好的一致性,微波宽带放大器,反馈式放大器,在晶体管漏栅之间并接RL串联支路，实现负反馈,降低器件低端增益，实现多倍频程放大,增强稳定性,仅适应于低频放大器,微波宽带放大器,有源匹配放大器,匹配网络中采用有源器件，实现大阻抗变换比的宽带匹配,电路复杂，匹配网络设计难度大 多用于10GHz