第五章

微波放大器

§5.1微波放大器的定義與分類微波放大器的定義微波放大器的分類Whatisthis——

一種具有功率放大功能的微波元件本質(zhì)：

一種將直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量的轉(zhuǎn)換器Howaboutit——

電真空微波放大器按實(shí)現(xiàn)方式固態(tài)微波放大器雙極型晶體管放大器場(chǎng)效應(yīng)管放大器微波放大器的定義雙極型晶體管放大器場(chǎng)效應(yīng)管放大器硅(Si)雙極結(jié)型晶體管(Bipolar

JunctionTransistor，BJT)硅鍺(SiGe)和砷化鎵(GaAs)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HeterojunctionBipolar

Transistor，HBT)硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)砷化鎵金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT)微波放大器的分類Howaboutit——

微波放大器的分類Howaboutit

低噪聲放大器(LowNoiseAmplifier，LNA)按功能方式驅(qū)動(dòng)放大器(DriverAmplifier，DA)功率放大器(PowerAmplifier，PA)可變?cè)鲆娣糯笃?VariableGainAmplifier，VGA)§5.2微波放大器的功能與性能微波放大器的功能微波放大器的性能

（1）帶寬（2）功率增益（3）輸入/輸出電壓駐波比(VSWR)（4）輸出功率（5）功率附加效率(PAE)（6）交調(diào)失真（7）1dB壓縮點(diǎn)（8）三階交調(diào)失真Howaboutit-微波放大器的性能

（9）噪聲功率（10）噪聲寬帶（11）噪聲因子與噪聲系數(shù)（12）級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲因子Howaboutit-微波放大器的性能

§5.3小信號(hào)微波放大器設(shè)計(jì)微波放大管的類型與選取二端口網(wǎng)絡(luò)的功率增益小信號(hào)微波放大器穩(wěn)定性分析最大增益設(shè)計(jì)與雙共軛匹配固定增益設(shè)計(jì)和等增益源固定駐波設(shè)計(jì)與等VSWR圓低噪聲放大器設(shè)計(jì)微波寬帶放大器芯片化設(shè)計(jì)小信號(hào)微波放大器的創(chuàng)新研討

真空管

高功率、寬頻帶固態(tài)器件

低噪聲、高集成度金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)高電子遷移率晶體管(HEMT)耿式二極管關(guān)鍵參數(shù)

最大飽和輸出功率關(guān)鍵指標(biāo)工作帶寬增益線性度Howaboutit-微波放大管的類型與選取

二端口網(wǎng)絡(luò)存在以下三種功率增益（1）功率增益：Gp（2）可用功率增益：GA（3）轉(zhuǎn)換功率增益：GTHowaboutit-二端口網(wǎng)絡(luò)的功率增益

自激振蕩的表現(xiàn)器件輸入/輸出阻抗存在負(fù)實(shí)部穩(wěn)定性無條件穩(wěn)定條件穩(wěn)定

全部頻率范圍特定頻率范圍

小信號(hào)微波放大器穩(wěn)定性分析Whatisthis-穩(wěn)定性分析

若放大器無條件穩(wěn)定條件穩(wěn)定且穩(wěn)定區(qū)位于穩(wěn)定性圓外條件穩(wěn)定且穩(wěn)定區(qū)位于穩(wěn)定性圓內(nèi)小信號(hào)微波放大器穩(wěn)定性分析Whatisthis-穩(wěn)定性圓

無條件穩(wěn)定且穩(wěn)定區(qū)位于穩(wěn)定性圓外無條件穩(wěn)定且穩(wěn)定區(qū)位于穩(wěn)定性圓內(nèi)小信號(hào)微波放大器穩(wěn)定性分析Whatisthis-穩(wěn)定性圓

無條件穩(wěn)定

無條件穩(wěn)定小信號(hào)微波放大器穩(wěn)定性分析Whatisthis-無條件穩(wěn)定的檢驗(yàn)

小信號(hào)微波放大器穩(wěn)定性分析Howtoimproveit-提高晶體管穩(wěn)定性的措施

重要公式總結(jié)小信號(hào)微波放大器穩(wěn)定性分析輸入反射系數(shù)

in輸出反射系數(shù)

out源輸入網(wǎng)絡(luò)的功率Pin網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)截?fù)載的功率PL源的可用功率Pavs網(wǎng)絡(luò)的可用功率Pavn功率增益GpHowtoimproveit-提高晶體管穩(wěn)定性的措施

重要公式總結(jié)小信號(hào)微波放大器穩(wěn)定性分析可用功率增益GA轉(zhuǎn)換功率增益GTK-

判據(jù)μ判據(jù)Howtoimproveit-提高晶體管穩(wěn)定性的措施

單向化無條件穩(wěn)定放大器取得最佳增益條件最大增益設(shè)計(jì)與雙共軛匹配Howtorealizeit-單向條件下的最大增益設(shè)計(jì)

單向化無條件穩(wěn)定放大器取得最佳增益條件

最大增益設(shè)計(jì)與雙共軛匹配Howtorealizeit-單向條件下的最大增益設(shè)計(jì)

源和負(fù)載共軛匹配時(shí)和最大增益設(shè)計(jì)與雙共軛匹配Howtorealizeit-雙向條件下的最大增益設(shè)計(jì)

共軛匹配的解分為三種情況

最大增益設(shè)計(jì)與雙共軛匹配Howtorealizeit-雙向條件下的最大增益設(shè)計(jì)

【例5.3.2】設(shè)晶體管NE13700在14GHz頻率下的S參數(shù)為：S11=0.75∠?132°，S12=0.07∠40°，S21=1.2∠92°，S22=0.66∠?37°，用該管設(shè)計(jì)工作頻率為14GHz的窄帶放大器，其最大增益為多少？因?yàn)镵＞1且，所以晶體管是無條件穩(wěn)定的。最大增益設(shè)計(jì)與雙共軛匹配實(shí)例5.3.2

圖5-17失配補(bǔ)償設(shè)計(jì)計(jì)算雙共軛匹配的源反射系數(shù)和負(fù)載反射系數(shù)計(jì)算MAG最大增益設(shè)計(jì)與雙共軛匹配實(shí)例5.3.2

將功率增益除以晶體管的

，有固定增益設(shè)計(jì)和等增益圓功率增益圓與負(fù)載失配

【例5.3.3】設(shè)計(jì)一個(gè)采用GaAsFET工作在6GHz的放大器，固定其增益為9dB。晶體管偏置在Vds=4V、Ids=0.5IDS處，晶體管的S參數(shù)為固定增益設(shè)計(jì)和等增益圓功率增益圓與負(fù)載失配

固定增益設(shè)計(jì)和等增益圓功率增益圓與負(fù)載失配

【例5.3.4】GaAsFET偏置于Vds=5V，Ids=0.5IDS，f=8GHz，S參數(shù)為在8GHz時(shí)判斷晶體管的穩(wěn)定性，并利用這個(gè)晶體管設(shè)計(jì)一個(gè)Gp=10dB的放大器。進(jìn)一步繪制出功率增益為0dB、10dB、15dB、20dB的等功率增益圓。固定增益設(shè)計(jì)和等增益圓功率增益圓與負(fù)載失配

圖5-20條件穩(wěn)定時(shí)輸出穩(wěn)定性圓和等功率增益圓圖5-19例5.3.4中的輸入/輸出穩(wěn)定性圓固定增益設(shè)計(jì)和等增益圓功率增益圓與負(fù)載失配

將可用功率增益除以晶體管的

，有固定增益設(shè)計(jì)和等增益圓等可用功率增益源與源失配

輸入駐波可以表示為圖5-21微波放大器輸入部分固定駐波設(shè)計(jì)和等VSWR圓等VSWR圓

噪聲因子定義輸出總噪聲噪聲源無噪聲二端口網(wǎng)絡(luò)低噪聲放大器設(shè)計(jì)Whatisthis-低噪聲放大器

二端口網(wǎng)絡(luò)固有參數(shù)

若有：則噪聲因子最?。旱驮肼暦糯笃髟O(shè)計(jì)最小噪聲因子

圓心和半徑低噪聲放大器設(shè)計(jì)等噪聲圓

電阻電抗匹配式放大器反饋式放大器平衡式放大器分布式放大器微波寬帶放大器主要電路形式

芯片設(shè)計(jì)模型來源工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）自主開發(fā)模型芯片化設(shè)計(jì)X波段MMIC低噪聲放大器

18～56GHz寬頻帶GaN低噪聲放大器8～11GHz低噪聲放大器

創(chuàng)新研討發(fā)展歷程真空管、晶體管研究方向（1）高頻寬LNA場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）高電子遷移率晶體管（HEMT）微波低噪聲放大器（2）低功耗LNA（3）可重構(gòu)LNA（4）集成LNA難點(diǎn)寬帶匹配、平坦增益、穩(wěn)定性降低消耗、提高增益和功率靈活開關(guān)、調(diào)諧和控制解決寄生效應(yīng)、干擾和互耦小信號(hào)微波放大器的創(chuàng)新研討§5.4大功率微波放大器的設(shè)計(jì)與制備微波晶體管大功率特性分析微波晶體管功率放大器設(shè)計(jì)功率合成技術(shù)大功率微波放大器的創(chuàng)新研討

1.微波晶體管大信號(hào)效應(yīng)（1）線性器件（2）非線性器件（3）小信號(hào)工作條件（4）大信號(hào)工作條件微波晶體管大功率特性分析

2.微波晶體管大信號(hào)模型對(duì)于微波晶體管，建立模型的步驟主要包括：1.選擇模型拓?fù)?.收集測(cè)試數(shù)據(jù)3.函數(shù)近似4.模型實(shí)現(xiàn)5.模型檢驗(yàn)與驗(yàn)證微波晶體管大功率特性分析導(dǎo)通角控制類功放1.微波晶體管放大器分類A類B類AB類C類

微波晶體管功率放大器設(shè)計(jì)諧波控制類功放1.微波晶體管放大器分類F類逆F類J類連續(xù)類微波晶體管功率放大器設(shè)計(jì)AB類功放的電路拓?fù)湓陔妷翰ㄐ沃屑尤胪嗳沃C波后的F類功放的總輸出電壓波形

Howaboutit-負(fù)載牽引技術(shù)微波晶體管功率放大器設(shè)計(jì)負(fù)載牽引測(cè)試結(jié)果負(fù)載牽引基本測(cè)試框圖

對(duì)于微波晶體管，建立模型的步驟主要包括：1.選擇放大器管芯尺寸2.選擇電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和匹配網(wǎng)絡(luò)3.選擇偏置電路4.計(jì)算最佳負(fù)載阻抗5.估算輸出寄生電容微波晶體管功率放大器設(shè)計(jì)Howtorealizeit-利用小信號(hào)S參數(shù)設(shè)計(jì)功放

對(duì)于微波晶體管，建立模型的步驟主要包括：

7.設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)8.設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)9.優(yōu)化匹配電路10.確保寬帶無條件穩(wěn)定微波晶體管功率放大器設(shè)計(jì)Howtorealizeit-利用小信號(hào)S參數(shù)設(shè)計(jì)功放

功率合成技術(shù)功率合成技術(shù)

1.阻抗匹配困難2.高頻誤差3.散熱問題功率合成技術(shù)器件級(jí)合成

2.電路合成諧振式功率合成非諧振式功率合成3dB電橋合成鏈?zhǔn)胶铣啥嗦泛铣晒β屎铣杉夹g(shù)

3.空間功率合成和準(zhǔn)光合成1.由W.Lothar等提出的準(zhǔn)光功率合成技術(shù)2.由K.Chang和T.Iton等提出的自由空間合成技術(shù)3.由AmirMortazawi等提出的采用開槽波導(dǎo)的自由空間功率合成器4.由A.Alexanian和R.A.York提出的波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成技術(shù)功率合成技術(shù)

4.其它功率合成1.推挽功率合成技術(shù)2.諧波功率合成技術(shù)功率合成技術(shù)

功率合成技術(shù)芯片化設(shè)計(jì)輸出功率為50W的2.1～2.2GHzMMIC功率放大器20W的X波段HPA（芯片尺寸為5mm×8mm）

1.功率密度和效率提升2.帶寬擴(kuò)展3.線性