/5１2ＧHz新型復(fù)合管寬帶功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)來源:電子科技作者：程華，嚴(yán)唯敏，滑育楠,胡善文，高懷東南大學(xué)摘要利用一種新型HBT復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款寬帶功率放大器,有效抑制了HBT的大信號(hào)Kiｎｋ效應(yīng)。采用微波仿真軟件AWR對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和仿真，結(jié)果顯示，在5~12ＧHz頻帶內(nèi)，復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)的輸出阻抗值更穩(wěn)定，帶寬得到有效擴(kuò)展，最高增益達(dá)到11dＢ,帶內(nèi)波動(dòng)<0.5dB,在9GHz工作頻率時(shí)，其１dB壓縮點(diǎn)處的輸出功率為26dＢm.關(guān)鍵詞寬帶匹配;Kink效應(yīng);ＧaＡsＨBT;復(fù)合晶體管

隨著寬帶無線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、高效率的寬帶放大器的需求也越來越大,從某種意義上講,寬帶放大器性能的好壞直接決定著微波系統(tǒng)性能的優(yōu)劣.然而在寬帶放大器的設(shè)計(jì)過程中,砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HＢＴ）共發(fā)組態(tài)工作模式下的輸出反射系數(shù)S22，在某一頻率將會(huì)出現(xiàn)Kink效應(yīng),因此采用HＢT實(shí)現(xiàn)寬帶放大器時(shí),會(huì)給工作頻帶跨越Kink點(diǎn)的寬帶輸出匹配設(shè)計(jì)帶來難題。目前,有效擴(kuò)展帶寬的方法有反比例級(jí)聯(lián)、并聯(lián)峰值、電容峰值、分布式放大器和ｆT倍頻器技術(shù)等。但這些方法都會(huì)不同程度地增加電路的復(fù)雜度，需要占用更多的芯片面積.本文使用一種改善ＨBＴＫink效應(yīng)的復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)來擴(kuò)展放大器的帶寬，簡(jiǎn)化寬帶輸出匹配的設(shè)計(jì)。

自Sｈey-ＳhiＬu，Ｙo-ShengLin等人提出HＢT的Ｋｉｎk效應(yīng)以來，關(guān)于該現(xiàn)象的小信號(hào)理論分析日臻成熟。文獻(xiàn)提出一種基于負(fù)反饋技術(shù)的新型HＢT復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)，能夠有效消除HBT的小信號(hào)Kink效應(yīng).但是有關(guān)于該現(xiàn)象的大信號(hào)研究較為罕見。

文中首先基于AWＲ軟件研究HＢＴ的大信號(hào)Kink效應(yīng),其次分別采用新型HBＴ復(fù)合管和普通HBT管(以下分別簡(jiǎn)稱復(fù)合管、普通管)來完成兩款寬帶功率放大器的設(shè)計(jì).通過軟件仿真，結(jié)果表明:該新型HBＴ復(fù)合晶體管不但可以有效消除HＢＴ的大信號(hào)Kink效應(yīng),而且還明顯擴(kuò)展放大器的帶寬，提高增益帶寬積,簡(jiǎn)化輸出端的阻抗匹配設(shè)計(jì)。１新型HBT復(fù)合晶體管大信號(hào)特性1．１HBT的小信號(hào)Kｉｎk效應(yīng)

隨著頻率的升高，晶體管自身寄生電容Ｃcｅ,Ｃbe,Cｂc等對(duì)器件性能的影響明顯增加，使得HBT共發(fā)組態(tài)工作模式下的輸出反射系數(shù)S22在某一頻率處出現(xiàn)一拐點(diǎn),這種現(xiàn)象稱為Ｋｉnk效應(yīng),如圖１所示.另外隨著器件尺寸的增加,Kink效應(yīng)有增強(qiáng)的趨勢(shì)?？梢钥闯?，低頻時(shí)ＨＢT的輸出阻抗等效為串聯(lián)的ＲC電路，而高頻時(shí)則等效為并聯(lián)的RＣ電路，在兩種等效電路的過渡過程中就出現(xiàn)了圖1中所示的拐點(diǎn)，即Kink效應(yīng)。為了有效消除HBＴ的Kiｎk效應(yīng)，文獻(xiàn)提出了基于負(fù)反饋技術(shù)的新型HBＴ復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu),本文在該結(jié)構(gòu)上另加1個(gè)電阻R2調(diào)整反饋強(qiáng)度和相位，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖2中,共射極連接的HBＴ１作為常規(guī)放大器件工作在放大狀態(tài),ＨＢT2作為HBＴ1的負(fù)反饋支路工作在反向狀態(tài).ＨBＴ2發(fā)射極通過一個(gè)小電感L和一個(gè)小電阻R2連接到電路輸出端，由于該電感均衡寄生電容對(duì)輸出阻抗的影響，使得ＨBT在共發(fā)組態(tài)工作模式下,其小信號(hào)輸出阻抗在整個(gè)工作頻段內(nèi)接近于一個(gè)簡(jiǎn)單的RC串聯(lián)電路，且電阻值R為一常數(shù),能夠有效消除ＨBT的小信號(hào)Kiｎｋ效應(yīng).1。２大信號(hào)Ｋink效應(yīng)及其消除

功率放大器工作在大信號(hào)狀態(tài)時(shí),HＢT放大管的工作狀態(tài)和等效電路模型不同于小信號(hào)情況.為了深入研究HBT的大信號(hào)Kink效應(yīng)，分別采用新型HBT復(fù)合管和普通HBT管設(shè)計(jì)了兩個(gè)單級(jí)放大電路，如圖3所示，同時(shí)其大信號(hào)Ｓ2２隨頻率變化的仿真曲線如圖4所示。圖4仿真結(jié)果表明,ＨBＴ在大信號(hào)輸入情況下的S22同樣具有Kink效應(yīng)，然而采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)能夠使HＢT大信號(hào)情況下的輸出阻抗在很寬的頻率范圍內(nèi)為一常數(shù)，Ｓ２2的Kink效應(yīng)得到有效的消除。

功率放大器輸出端的負(fù)載特性將直接影響到輸出端匹配電路的復(fù)雜度，為了獲得最佳功率輸出負(fù)載阻抗，在４～12ＧHz頻帶內(nèi)進(jìn)行常規(guī)的負(fù)載牽引（Load-Pull）測(cè)試,得到最佳輸出功率和功率增益。Ｌｏad—Pull得到設(shè)計(jì)所需要的輸出負(fù)載阻抗值，其結(jié)果如圖5所示。

如圖５所示,Ｌoad—Ｐull的結(jié)果表明,在整個(gè)頻帶內(nèi)普通管電路最佳負(fù)載阻抗的實(shí)部和虛部都隨頻率發(fā)生變化，而復(fù)合管電路的輸出阻抗隨頻率變化不大,所以采用該結(jié)構(gòu)作為寬帶功率放大器的有源放大器件，可以簡(jiǎn)化其輸出端的功率匹配電路設(shè)計(jì),獲得較好的功率輸出特性。２放大器設(shè)計(jì)

基于上述小信號(hào)和大信號(hào)特性分析,分別采用普通管和復(fù)合管設(shè)計(jì)了兩款寬帶功率放大器，匹配電路采用基本LC匹配結(jié)構(gòu)，輸入匹配滿足高通特性,輸出匹配滿足低通特性，如圖6所示.

在微波頻段,GaAsHBＴ的反向傳輸散射參數(shù)S1２很小。因而單向模型經(jīng)微小修正后就可以作單向近似，以至于這種器件的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)就可以分開設(shè)計(jì)，分別解決寬帶功放的輸入端和輸出端的匹配問題,由于有源器件隨頻率上升,其增益按6ｄＢ倍頻程下降，因此輸入匹配網(wǎng)絡(luò)需要提供一個(gè)增益補(bǔ)償，以保證放大器平坦的增益特性.為了使放大器的增益更平坦，應(yīng)用CAD技術(shù)對(duì)電路的初步設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，最終得到較為滿意的單級(jí)功率放大器。

在Kink頻率點(diǎn)處復(fù)合管寬帶放大器的大信號(hào)參數(shù)如圖7(a）所示。5～12ＧHz頻帶內(nèi)小信號(hào)參數(shù)仿真曲線及兩款放大器功率增益的帶寬特性對(duì)比如圖7（b）所示。

從圖7可以看出，普通管放大器在6~1０ＧHz的工作頻率范圍內(nèi),功率增益PGain=12dB，增益帶寬積為16GHｚ,復(fù)合管結(jié)構(gòu)放大器功率增益為PGain＝11dＢ,帶寬拓展至５～12GHz,增益帶寬積達(dá)到25GＨｚ，明顯高于前者.以上結(jié)果較好地說明了利用新型HBT復(fù)合管結(jié)構(gòu)能有效地消除HＢＴ的大信號(hào)Kink效應(yīng)，進(jìn)而擴(kuò)展放大器帶寬。同時(shí),設(shè)計(jì)的復(fù)合管結(jié)構(gòu)寬帶功率放大器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有較高的功率輸出,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。3結(jié)束語(yǔ)

利用一種新型HＢT復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了5～12GHz寬帶功率放大器,并采用AWＲ軟件進(jìn)行CＡD優(yōu)化，使寬帶功放達(dá)到較高的性能指標(biāo).另一方面，利用普通管HBT設(shè)計(jì)了一款寬