射频晶体管放大器

1、微波晶体管放大器 前言21.场效应管和双极性晶体管模型42微波晶体管放大器三种增益73微波晶体管放大器稳定性的判断104. 小信号放大器微波晶体管放大器的设计141.双共扼匹配设计方法172.功率增益和资用功率增益圆193.噪声系数圆224.等驻波比圆245. 宽带放大器设计261.频率补偿匹配网络262.平衡放大器293.负反馈电路306.功率放大器321.大功率放大器的几个重要的参数322.微波晶体管功率放大器的设计341.用管子大信号设计功率放大器352.大信号S参数设计功率放大器353.多级放大器364.功率合成法38前言放大器在硅双极型晶体管和砷化镓MESFET之间选择晶体管。相对增

2、益、噪声系数和功率的比较如下表。在微波集成电路中，更常采用砷化镓MESFET，这是因为砷化镓MESFET放大器的增益较高、输出功率较大、噪声系数较低。较高的增益是由于电子的迁移率较高（与硅相比）造成的；输出功率的改善则是电场较高和电子的饱和漂移速度较高的结果；噪声系数较低的部分原因是由于电子载流子的迁移率较高造成的。而且，与双极型晶体管相比，在FET中存在噪声源较少（没有散弹噪声）。与硅双极型晶体管相比，砷化镓主要的缺点是1/f噪声较高。在微波频率的低端，即2GHz-4GHz，由于晶体管价格较低，而且砷化镓MESFET不易实现阻抗匹配（在频率较低时其模接近于1），低噪声系数的优势不明显，因此多

3、采用双极型晶体管。场效应管主要用于510GHz混合和单片电路中，具有高增益和低噪声的特性。近几年主要采用高电子迁移率管（HEMT High Electron Mobility/Transistor）或异质结管（HBT Heterojunction bipolar Transistor）。HEMT不仅可获得超高频（12G以上）、超高速，还具有低噪声。HEMT是平面结构，而HBT是非平面结构，工艺上比HEMT难度大。 微波晶体管之间噪声和增益之间的比较根据微波晶体管按其本身的特点可以分为：低噪声放大器，宽带放大器和大功率放大器。低噪声放大器(LNA)作用：主要用来对微弱的微波通信信号进行低噪声放大

4、以提高接收机的接收灵敏度，广泛应用于移动通信、雷达、电子对抗及遥控遥测系统接收机的前端，其性能好坏直接影响到整个接收系统的性能。因此，低噪声放大器的设计是通信接收机设计的关键。主要特点是噪声系数低，线性好，动态范围大。在微波晶体管或一般频段晶体管的多级低噪声放大器的设计中，通常应用的原理是将低噪声系数与低电压驻波比作为第一级的主要技术性能进行设计，而第二、三和以后几级则按平坦的增益特性和最大功率增益等性能进行设计。这种设计方法即可以使放大器具有低噪声和低电压驻波比，对可以使其具有所要求的平坦的增益特性和一定的功率增益。微波功率放大器是微波通信系统、广播电视发射、雷达、导航系统的核心部件之一。在

5、所有微波发射系统中，都需要功率放大器将信号放大到足够的功率水平，再由天线将讯号辐射出去，经电波传播媒介而到达接受端，以实现信号的发射，实现信号的远距离传输和保障可靠的接收，因此功率放大器的性能是制约系统性能和技术水平的关键部件。微波晶体管功率放大器可以用微波双极晶体管或者微波场效应管（FET）来研制。研究功率放大器的着眼点是其输出功率，其它性能指标如：增益、带宽、效率、线性度、三次交调失真以及噪声系数等也需要考虑，以满足实际应用需要。功率放大器按其用途，传播媒介，传播距离，而有不同的发射功率，按照输出功率的大小可分为高功率（几瓦以上）、中功率（几百毫瓦）、和小功率（几十毫瓦）。高功率放大器一般

6、用于基站或广播电台发射机的末极功率放大器，着重于输出功率和效率。中小功率放大器多用作小型移动台发射机功率放大器，高功率放大器前级，信号源的输出放大器以及其它方面的应用，一般着重于增益、带宽、以及噪声系数等指标。宽带放大器的特点是其宽带特性，即在较宽的频带内做信号放大。射频放大器与常规低频电路的设计方法完全不同，它需要考虑一些特殊的因素。尤其是入射电压波和入射电流波都必须与有源器件良好的匹配，以便降低电压驻波比、避免寄生振荡。正是由于这个原因，稳定性分析通常被作为射频放大器设计工作的第一个步骤。稳定性分析以及增益圆、噪声系数圆都是放大器电路设计所必须的基本要素，依据这些要素才能设计出符合增益、增

7、益平坦度、输出功率、带宽和偏置条件等苛刻要求的放大器。在放大器特性指标方面，下列是关键参数： 增益及增益平坦度增益平坦度：用来标明放大器在工作频段内的功率增益的波动。 工作频率及带宽 输出功率 输入、输出反射系数（电压驻波比VSWR）输入/输出驻波比（VSWR）：放大器通常设计或用于50阻抗的微波系统中,输入/输出驻波表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗(50)的匹配程度。用下式表示：VSWR=（1+|）/（1-|）；其中=（Z-Z0）/（Z+Z0）VSWR：输入输电压出驻波比 ：反射系数 Z：放大器输入或输出端的实际阻抗 ZO：需要的系统阻抗 噪声系数噪声系数表征了一个微波器件对其

8、放大信号噪声劣化程度。 偏置电压和电流1. 场效应管和双极性晶体管模型1）场效应管微波场效应晶体管是利用加在栅极上的电压控制信号来改变导电沟道横截面的宽度，以控制从源极到漏极的多数载流子数目，从而在漏极上得到放大的信号。微波场效应晶体管有金属半导体场效应晶体管(MESFET)，PN结场效应晶体管(JFET)和绝缘栅场效应晶体臂(IGFET)等其中N沟道MESFET的微波性能最好，它是用砷化镓作衬底的MESFET，又叫做肖特基势垒栅场效应管。(a)GaAs FET的截面图 （b）漏极，栅极和源极的俯橄图 MESFET应用于放大器时，几乎都采用共源极接法共源极小信号管芯等效电路如图所示图中为场效应

9、管的跨导；为漏极与源极之间的沟道电导；为源栅电容；为漏栅电容；为沟道电阻。外部寄生元件有源极电阻、栅极电阻，漏极电阻和衬底电容等，其中和是影响管子热噪声性的主要参数。1-1 MESFET的等效电路特征频率是场效应晶体管的重要参数，它表示共源电路短路电流增益：时的频率。可以近似表示为：由式可见：为提高特征频率，必须加大管子的跨导、减小源栅之间的分布电容，可缩短栅长减小。为此，微波场效应管都制作成短栅的。2）双极性晶体管在微波双极性晶体管放大器中，大多采用共发射极电路。因为这种电路的功率增益高，稳定性较好，尤其是它的输入阻抗和输出阻抗比较接近于常用的传输线特性阻抗，容易进行匹配。但在宽带放大器和振

10、荡器中，有时也采用共基极电路。(a)硅双极性晶体管的截面图 （b）基极和发射极的俯橄图微波双极晶体管管芯的共发射极小信号等效电路如图所示。图中，表示发射结势垒电容；表示扩散电容；表示发射结电阻；表示基极电阻；表示集电极接触电阻和体电阻；表示集电极电容；表示集电结发射结的电流放大系数。1-2 微波双极晶体管管芯共发射极小信号等效电路特征频率是微波晶体管的重要性能参数之一，它是共发射极短路电流增益时的频率。由等效电路可以求出近似表达式：式中表示载流子从发射极到集电极的渡越时间；为发射结到基极结电容的充电时间常数；为载流子在基区的渡越时间。由此可见，为了提高特征频率，必须减少，即尽量减少基区的宽度和

11、适当的选择基区掺杂浓度；为了减小发射结延迟时间，在功率容量和可靠性允许的条件下，应尽量减小发射极面积。2微波晶体管放大器三种增益功率增益是微波晶体管放大器的主要指标之一。在实际的微波晶体管放大器中，源阻抗和负载阻抗不同。所谓功率增益是不同的。通常有功率增益、转换功率增益和资用功率增益三种表示方式，下面分别加以说明。图1-1表示计算微波晶体管功率增益的两端口网络。图中的微波晶体管可以是双极晶体管，也可以是场效应管，由图可以出下面的表达式：图1-3微波晶体管的两端口网络 1-1式中，是信号源输出的归一化入射波。 1-2 1-3在图1-1中，网络的输入功率为：如果放大器的输入阻抗与信号源的内阻符合共

12、扼匹配条件（），采用反射系数表示即，则信号源到放大器之间有最大功率传输。在最大功率传输条件下，我们定义资用功率为：将式1-2代入上式可得：负载吸收的功率为：根据输入和输出功率的表达式，可以求出微波晶体管两端口网络常用的三种功率增益表达式。（1）功率增益功率增益G定义为负载所吸收的功率与输入功率之比，即 1-4式中Re表示取复数的实部：。功率增益G除与晶体管的S参数有关外，仅与负载反射系数有关。因此G便于研究负载的变化对放大器功率增益的影响。(2)转换功率增益转换功率增益定义为负载吸收的功率与信号源输出的资用功率之比。信号源输出的资用功率就是信号源输出的最大功率，也就是在满足条件时网络的输入功率

13、，即根据定义，可以写出转换功率增益的表达式为将式1-2，1-3代入上式，得到 1-5转换功率增益表示插入放大器后负载上得到的功率比无放大器时得到的最大功率增加的倍数。它的大小与输入和输出端的匹配程度有关。（3）资用功率增益资用功率增益定义为负载吸收的资用功率与信号源输出的资用功率之比。它是在放大器的输入和输出端分别实现共扼匹配的特殊情况下，放大器产生的功率增益。也是在输出共扼匹配时的转换功率增益，即在输出端应满足条件由此可得资用功率增益的表达式为 1-6 1-7上式1-6，1-7表明，资用功率增益除和晶体管的S参数有关外，仅和反射系数有关。因此应用便于研究信号源阻抗的变化对功率增益的影响，这对

14、设计低噪声放大器选择最佳源阻抗是很适用的。在上述三种功率增益表达式中，对于同一晶体管而言，一般。而最为常用，其值和输入，输出端的反射系数均有关，利用它便于研究放大器输入和输出端的失配对增益的影响。3微波晶体管放大器稳定性的判断设计微波晶体管放大器时，必须保证电路能稳定地工作，不产生自激振荡，并且远离自激振荡状态，在这一条件下讨论放大器性能指标的好坏才有实际意义，因此，研究晶体管放大器的稳定性是设计晶体管放大器的一个重要问题。通常把晶体管的稳定程度分为两大类：一类称为绝对稳定或无条件稳定，在这种清况下，负载阻抗和源阻抗可以任意选择，放大器都能稳定地工作。另一类称为潜在不稳定或有条件稳定，在这种情

15、况下，负载阻抗和源阻抗不能任意选择.要有一定的限制，否则放大器不能稳定地工作。要判断放大器是否稳定，可以从放大器的输入和输出端是否其有负阻来决定。如果存在负阻，就意味着放大器可能产生振荡。假设放大器的输入阻抗为，则输入端的反射系数为由式可见，当放大器输入端出现负阻，即时，。因此，为使放大器稳定，必须满足下列条件： 式表明，当晶体管放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于1时，不管源和负载的阻抗如何，网络都是稳定的，称为绝对稳定：反之，当输入或输出端的反射系数的模大于1时，网络是不稳定，称为潜在不稳定。（1）潜在不稳定：对图所示的放大器，共有四个反射系数，只有当四个反射系数的模均小于1，即满足：

16、1） 输出端口稳定性分析判定圆的方程为： （6.14）其中，圆的半径为： （6.15）圆心坐标为：2） 输入端口稳定性分析判定圆的方程为 （6.17）其中，圆的半径为： （6.18）圆心坐标为：1-4 复平面平面: 输出稳定圆 平面: 输入稳定圆不稳定区域的确定取决于| 和|，根据公式(8) 和(9) （= 0） (= 0 ) |=0代表了平面的中心点，所以在平面上：若|<1，中心点所在的区域为稳定区若|>1，中心点所在的区域为不稳定区| = 0 代表了| 平面的中心点，所以在平面上：若|<1，中心点所在的区域为稳定区若|>1，中心点所在的区域为不稳定区（2）绝对稳定如

17、果满足：则放大器无条件稳定，这时临界稳定圆完全落在Smith 圆图之外如果|>1 或|>1，则放大器不可能无条件稳定，因为至少存在一个源阻抗和一个负载阻抗使| = 0 和| = 0，而这时有| > 1 和|>1无条件稳定的充要条件从公式(16) 和(17) 可以推导出无条件稳定的充要条件为：这里：进一步的推导显示公式等效于： （3）放大器的稳定措施大多数实用的高频放大管均满足|<1的条件，非无条件稳定放大管的K通常在0和1之间，这时的临界稳定圆与Smith圆图的边界相交。为了能使放大器稳定工作，输入输出匹配网络应使和落在稳定区域内。不过，即使和不在稳定区域内，使|

18、 >1或|>1，放大器仍有可能稳定工作，只要保证输入和输出端口回路的总电阻非负，即 （1）在宽带放大器的设计中，也可以通过在输入输出端串并电阻或加使用电阻负反馈的方式使放大器无条件稳定工作，所加的电阻必须与或一起抵消或的负值成分，但是在窄带( 调谐) 放大器中这会导致功率增益、噪声系数等关键指标的恶化，因此最好通过匹配网络达到稳定工作。1.串并电阻举例一个晶体管在800MHz时的S参数,以及根据公式其临界稳定圆的圆心和半径分别, , , 下图给出了该晶体管的临界稳定圆以及为使放大器无条件稳定工作而在输入和输出端增加的电阻/电导性负载4. 小信号放大器微波晶体管放大器的设计对于小信号

19、微波晶体管放大器，通常以其主要技术指标作为设计的依据。各类小信号微波晶体管放大器的设计步骤大致如下：1） 选择合适的晶体管和电路形式微波晶体管放大器通常采用共发极（或共源极）电路，通过同轴线或微带线结构。工作频率在4GH以下时多选用双极晶体管，在4GHz以上时选用场效应晶体管，并尽可能选用特征频率高的管子。若设计低噪声放大器，应选用低噪声微波晶体管。2） 测量晶体管的S参数（不过一般可以从厂商提供的资料上可以得到）3） 判断稳定性。4） 设计输入和输出匹配网络对于高增益放大器，应根据对增益和平坦度的要求设计输入和输出匹配网络。对于低噪声放大器，应根据对噪声系数和增益的要求，确定输入和输出匹配网

20、络。5）设计直流偏置电路。（1） 单向化设计除了保证稳定性外，获得预定的功率增益也是放大器设计任务的一个重要考虑内容。如果晶体管的 非常小，可以认为 = 0，输出端的信号与输入端隔离，用这样的管子构成的放大器就是单向的放大器，其反射系数为 此时只需满足及放大器即无条件稳定。单向放大器的转化功率增益为这里如果用dB 表示其中和是输入，输出匹配网络有关的增益分量。是晶体管的插入增益。由上式可见，匹配网络的增益可能大于1，由于匹配网络是无源的，所以初看起来这些有点不可思议。产生这种反常现象的原因是，如果没有匹配网络，在放大器的输入，输出端口上可能会有明显的功率损耗。和降低了这种固有损耗，因而可被视为

21、增益。 如果放大器绝对稳定，且时 和 分别取最大值：从而 有最大值下面来看一下和取其它值的情况，以为例，从 求解可以得到以为变量的一组圆方程，为了兼顾稳定性，需要将绝对稳定和潜在不稳定分开讨论；对的处理完全相同。1）单向无条件稳定放大器的增益此时平面上的整个Smith圆图都是稳定区域，即可以为任何无源阻值。可以证明，导致同一的所有值都位于下式所给出的圆上其圆心和半径分别为 （2）这里为归一化的增益系数，01公式(2) 显示，（1）所有这些圆的圆心在平面上均位于角度为*，距坐标原点|。增益越小，则圆心越靠近原点，同时半径越大。(2)在条件下，即考察圆心为，半径为0的增益圆，可得最大增益。（3）因

22、为，当=0时=1，所以坐标原点总在0dB圆上。2）单向非无条件稳定放大器的增益如果管子的=0而|>1或|>1，为了使放大器稳定工作，信号源和负载阻抗必须满足公式(1)，即它们的实部必须在绝对值上分别大于输入和输出阻抗的实部。仍以为例，为了确定稳定区域，可以先找出与的实部绝对值相等的的位置，在平面上, 点所对应的就是这样的一个阻抗，而且其具有与相同的电抗部分，因此圆图上该点所对应的等电阻圆是一个稳定边界,在圆周上，圆内部因而是稳定区域。沿用公式(33)到(36)的定义，同样可以得到一系列的等圆，只不过这时候的最大值为无穷大，且出现在1/处。而且这些圆的圆心仍然在角度为*的直线上，但是

23、因为与1/相位相同，所以可以说圆心落在1/的连线上。一个S参数为的晶体管的稳定区域以及等圆如下图所示：单向化设计包含了一个近似条件，即忽略了放大器的反馈效应，或者说是反向增益（）。单向化的假设所造成的增益误差可表示为： 在评估单向化放大器设计方案时，这个误差因子应当尽量的小。在极限情况下，即在的理想情况下，随着趋于，误差确实消失了。1.双共扼匹配设计方法在许多实际情况下，采用单向化设计法并不适合，因为令将导致超出误差要求的不可容忍结果。双共扼匹配设计法没有忽略晶体管的反馈效应，所以，不同于单向化设计法的匹配条件，它需要处理输入输出端口反射系数的完整方程。 这需要同时共扼匹配。此处“同时”意味着

24、信号源和匹配负载反射系数和必须同时满足这一对联立方程。如果晶体管具有潜在的不稳定性，则复数共扼就不能同时成立。该方程组有解（3）其中,根据（3）给出的，最佳匹配条件可以表示为：可以证明，在无条件稳定的情况下，即放大器可以实现输入输出同时共轭匹配，并且公式(3) 分母上应取“”号。这时可以得到同时有在非无条件稳定的情况下，放大器最好按照Gp 或GA 来设计，因为它们仅由和中的一个决定，而此时在保持稳定工作的条件下所能达到的增益极限值由 (K =1 ) 给出：2.功率增益和资用功率增益圆在反向增益不可忽略的情况下，放大器的输入阻抗与负载反射系数有关。反过来，输出阻抗也是源反射系数的函数。由于这种双

25、向的互耦，单向法设计就不在适用于设计有预定增益要求的放大器。对于设计有预定增益要求的放大器，考虑了输入、输出端口互耦效应的双共轭设计方法有两种设计方案可共选择。第一个方案是根据功率增益。此时我们假设源与输入反射系数处于共扼匹配状态（即）并由此求出负载反射系数。这个方法导出的输入驻波比。第二个方案是利用资用功率增益。此时我们假设放大器的输出端口处于良好的匹配状态（），然后通过调整负载以便达到预定的增益。如果此方案导出的输出驻波比恰好为1（即），则这种方案为最佳设计方案。1）功率增益可见与无关，因此设计时可以先不考虑和，在0时简化了设计的复杂度。 无条件稳定 用管子的S参数和表示公式中的，用可以改

26、写成平面上对应相同的点都位于同一个圆上：圆心和半径分别为：圆心在角度为*C2、距原点，增益最大的圆半径为0，令可得：在 平面上这就是圆心点，其对应的值即为时的值，将带入可得并经过一些推导后可以得到与(3) 相同的结果，即当信号功率被全部反射，即，所以。 当输出匹配网络设计使，这时如果将输入匹配网络设计成，那么负载上将得到最大的功率，而，并且。2.无条件稳定时基于的放大器设计举例一个GaAsMESFET晶体管在6GHz时的S参数为，要求用它设计=9dB的放大器。容易验证它是无条件稳定的，但不能近似为单向工作，通过计算可以得到当时，如下图所示，可以取9dB圆上的A点作为，即 =0.3647.5&#

27、176;，于是如要获得最大的输出功率，输入端必须形成共轭匹配：这样，我们有输入共轭匹配使输入反射系数为0，输入驻波比，输出反射系数驻波比如果要获得，那么，在输入端在这个例子中，我们按照给定的选择，得到，然后使输入端共轭匹配，这时我们得到的会改变，所以的选择将同时的影响输入和输出的匹配。 在这个例题中，我们任选了一个值（在预定的增益圆上），计算条件相对应的输入阻抗，并假设的取值没有限制条件。遗憾的是，在许多实际应用中，必须符合特定的约束条件（例如符合特定的噪声特性）。这些附加的条件限制了我们选择的自由度，其结果又反过来限制了的选择范围。使上述两种要求（落在适当的增益圆内，符合预定的噪声要求）同时

28、得到满足的方法是借助于试探法，即先任值，然后考察相应的是否符合预定设计要求。这种方法相当简单但是也非常枯燥、费时。 另外一种科学的方法是将平面上的等增益圆映射为平面上的圆，映射的圆半径和圆心为： 非无条件稳定此时的设计方法与无条件稳定的情形相似，但是要考虑稳定性。 对于给定的值，在平面上画出其等增益圆以及输出临界稳定圆，在远离不稳定区域的圆上选择合适的 计算的值，同时在平面上画出输入临界稳定圆；如果 离不在稳定区域较远，那么输入端可以设计成共轭匹配；如果。在不稳定区域内或靠近不稳定区域，那么可能需要重新选择或者。虽然不会改变，但是它将改变从而影响输出匹配和负载所获得的功率。2）资用功率增益在放

29、大器输出端口需要良好的匹配的场合（=1），必须采用资用功率增益方案而不能采用上述功率增益方案。此时，采用功率增益相同的方法，可以得到等资用功率圆的方程。推导的结果是一个圆的方程，该方程在源反射系数和预定的增益之间建立联系： 其中圆心的坐标为：比例系数由下式确定：其中是预定的资用功率增益。类似于等功率增益圆，采用以下的方法将等资用功率增益圆映射到平面上：其中圆半径为：我们发现将上面两式中的换为，则符合要求的和应于符合要求的和。3.噪声系数圆对许多射频放大器来说，在低噪声前提下对信号进行放大是系统的基本要求。但是放大器的低噪声要求与其它的参数，如稳定性、增益等相冲突。例如，最小噪声特性和最大增益就

30、不能同时实现。因而，关键是必须设法将噪声参数标在Smith圆图上，以便观察、比较噪声与增益和稳定性之间的相互关系。一组常用的噪声参数是： 最小噪声系数 器件的等效噪声电阻 最佳噪声导纳。有时不给出源阻抗或导纳，而列出最佳反射系数。 在实际应用中，噪声分析的关键参数是以导纳形式定义的两端口放大器的噪声系数 对于给出了， 最终的结果是： ，为已知数。一般情况下，设计工程师可以通过调整来改变噪声系数。当时可以得到噪声系数的极小值。如果放大器是单极的，则调谐输出端口，以获得最大可用增益。在两级低噪声设计中，多半是调谐级间电路，以获得最小的第二级噪声系数。多级放大器的噪声系数为为第一级的增益 为第二级的

31、增益在Smith中也可以作出等噪声圆，其圆心坐标和半径为：常数为：例题：设计一个具有最佳噪声和预定增益的小信号放大器设计一个低噪声功率放大器，要求增益8dB,噪声系数小于1.6dB。设晶体管的噪声参数为,虽然噪声系数与负载反射系数无关，但却是源阻抗的函数。因此，可将等增益圆映射到平面上，此圆上的任意一点都符合要求，但是要满足点落在1.6dB的等噪声系数圆内。符合G=8dB,1.6dB要求的圆都已标在图中了。注意，在点上可以得到最大功率增益，然而点上可得最小噪声系数。所以此例表明，最大增益和最小噪声系数是不可能同时得到的。在给定的增益要求下，要减少噪声系数，则必须让源反射系数沿等增益圆移动并尽可

32、能靠近。任选，则相应的负载反射系数则为，利用噪声公式即可以求出噪声系数。最大增益和最小噪声系数的要求不可能同时满足，只能采取两者兼顾的设计原则。映射到平面的等噪声系数圆和等增益圆4.等驻波比圆在某些场合，当对放大器的输入或输出端进行测量时，其驻波比必须保持在特定指标之下。该指标通常为。匹配网络的注意目的是要在晶体管端口降低驻波比。而问题的复杂性在于，输入端口的驻波比（）由输入端口匹配网络（IMN）确定，而该网络又受到有源器件的影响以及由反馈效应带来的输出匹配网络（OMN）的影响。反过来，由于反馈效应的存在，输出端口的驻波比（）既取决于输出端口的匹配网络，也与输入端口的匹配网络有关。和电路系统输

33、入、输出端口的电压驻波比可以导出输出端口的驻波比圆方程：采用相同的方法可得输出端口的驻波比圆方程。需要特别注意的是，在双共扼匹配的情况下，输入、输出反射系数都是源和负载反射系数（）的函数。所以，输入和输出电压驻波比圆不能同时画出，而只能每次只考察一个的迭代方法调整。3.例题：用等驻波比设计方法实现预定的功率增益和噪声系数运用上题的结果，求放大器输出端口有最小反射系数时的值，并计算相应的增益。上题中已经得到了，和时满足功率增益和噪声系数的要求。在上题中采用的是等增益圆的设计方法，在放大器的输入端口实现了最佳匹配。但是输出端口是不匹配的，其电压驻波比可以得出为1.69。为了改善,可以放宽的要求在输

34、入端口引入一定程度的失配。如果令1.5，相应的VSWR圆可以画在Smith圆图上，如图其圆心和圆半径都可以通过上面的公式得到。在输入等驻波比圆上面所有的点都可以用表示。改变将会使发生变化，从而引起的变化以及的变化，下图画出了这种对应的关系。在图中可以看出大约在时，达到其的最小值1.37。此时，源反射系数、输出反射系数、转换增益、噪声系数如下，以减少增益为代价，我们使得到改善。如果增益的降低超出了容忍的限度，则必须同时调整源反射系数和负载反射系数。关于放大器设计的许多技术规范都明确地规定了电压驻波比所必须符合的最大容忍范围。这些涉及多个电路单元级连的系统集成问题时就变得非常重要。5.宽带放大器设

35、计许多调制电路和编码电路要求放大器具有较宽的工作频带。在射频领域中，设计宽带放大器的主要障碍是受到有源器件增益带宽乘积的制约。任何有源器件的增益在高频端都具有逐渐下降的特征，其原因是双极结晶体管的基极集电极电容或场效应晶体管的栅极源极电容和栅极漏极电容。其结果是，当工作频率达到晶体管的截止频率后，晶体管失去了放大器功能而变成了衰减器。由于不可能在宽频带内保持为常数，所以必须采取补偿措施。除了正向增益降低之外，在设计宽带放大器方面存在的其他困难包括:反向增益增加，这将使放大器的整体增益进一步降低，并便器件进入振荡状态的可能性增加。和随频率而改变。在高频下噪声系数恶化。为了解决这些问题甲人们提出了

36、两种不同的放大器设计方法:频率补偿匹配网络和负反馈技术。1.频率补偿匹配网络当工作频率较高时，由于以每倍频程约一6分贝的斜率下降，因此在设计宽带微波晶体放大器时，常常采用失配补偿法设计匹配网络，用以补偿的频率特性，从而得到宽带放大器。所谓失配补偿法，就是在设计匹配网络时，在较大的频率上对输入信号产生适当的反射，而在较小的频率上将输入信号无反射地传输过去，即设计一个具有与相反频率特性的匹配网络以对进行频率补偿，从而得到宽带放大器。下面例题介绍了设计频率补偿匹配网络的一些主要的步骤。例题：采用频率补偿匹配网络的宽带放大器的设计设计一个宽带放大器，在2GHz至4GHz频段内其标称增益为7.5dB，增

37、益平坦度0.2dB。放大器采用HPAT41410双极结晶体管，该器件的直流偏置为集电极电流10mA，集电极发射极电压8V。在单向化近似条件下，晶体管在2，3和4GHz频率点测得的S参数如下表所示。AT41410双极结晶体管的S参数（10mA，8V） GHz23.7232.5641.96解：根据表中的数据可得，晶体管的插入增益在点，为；在点，为；在点，为。要实现标称增益为7.5dB的放大器，必须按以下要求设计源匹配网络和负载匹配网络；在点，使标称增益下降3.91dB；在和点，使标称增益分别降低0.66dB和增加1.65dB。源匹配网络和负载匹配网络所能提供的最大增益为：，：，：，在一般情况下，必

38、须同时设计源匹配网络和负载匹配网络，但在本例中通过源匹配网络产生的附加增益已经可以满足放大器的参数要求。所以，我们的重点将放在源匹配网络上，在晶体管的输出端口不加任何匹配网络。由于晶体管的输出与负载直接相连，则有，所以输入匹配网络必须分别在，和频率上产生（），和的附加增益。相应的等增益圆在图51中画出。51我们设计的输入匹配网络必须能将上图51中等增益圆的点变换到Smith圆图的中心。能够实现这个目的的网络有许多，其中之一是由两个电容构成，如下图52所示。其中一个电容与晶体管并联，另一个与放大器的输入端口串连。根据已知的，令0，所以与在数值上相等，其值为：在计算输入端口的电压驻波比时，我们取：

39、图52工作频率24GHz，增益7.5dB，平坦度的宽带放大器其中可得：计算结果如表：宽带放大器的设计参数 GHz，dB27.6513.12.637.575.32.647.432.02.8由表中的数值可见，以提高电压驻波比为代价，可以实现增益的平坦性。2.平衡放大器如图53和54所示，在平衡结构中采用3dB兰格(Lange)耦合器或混合耦合器以及采用3dBWilkinson功率分配和合成器构成的典型平衡放大器电路框图。输人信号功率被一分为二，分别放大，然后在输出端口合成起来。53 3dB耦合器构成的平衡放大器54 3dBWilkinson功率分配和合成器构成的典型平衡放大器我们首先讨论图5-3所

40、示平衡放大器的工作原理。进人输人耦合器端口1的功率在幅度上被等分成两部分，它们达到端口2和端口3时存在的相位差，而端口 4没有输出功率。输出耦合器通过引人附加相移，使放大器A和放大器B的输出信号恢复同相，然后将它们的功率合成起来。我们将放大器A的S参量标记为时，同样也给放大器B的S参量加上标记B。整个放大器的S参量与各个支路上的S参量之间的关系为:表示3dB衰减，由于端口3时存在的相位差，负号则表示信号两次经过端口3所产生的总相移。如果放大器的两个支路完全相同，则，而且平衡放大器的正向、反向增益等于每个支路放大器的相应增益。由Wilkinson功率分配器54构成的平衡放大器的工作原理也是如此。

41、相对于耦合器方案的惟一区别是功率分配器没有相位差，因此需要添加一段的传输线，以便在两个支路间产生相移。平衡放大器结构的优点很多：（1） 可以按独立放大器进行设计，以获得平坦的增益、噪声系数等等（即使单个放大器的VSWR很高），而平衡放大器的输入和输出VSWR取决于耦合器（即如果放大器时一致的，VSWR的理想值是1）。（2） 具有较高的稳定度。（3） 输出功率是单一放大器的两倍。（4） 如果其中的一个放大器失效，平衡放大器单元将降低增益仍然工作（即功率下降6dB）。（5） 平衡放大器单元容易实现级连，因为每个单元由耦合起相互隔离。平衡放大器的缺点：单元内由两个放大器，要消耗较多的直流功率，而且尺

42、寸较大。另外，实际上还存在与放大器有关的有限插入损耗。3.负反馈电路频率补偿网络的另一种设计思路就是利用负反馈。这种方法可以得到平坦的增益响应并可在宽频带内降低输入、输出电压驻波比。负反馈方案的另外一个优点是，它可以降低晶体管参数的离散性对放大器特性的影响。这种方案的主要缺点是，它限制了晶体管的最大功率增益并增加了噪声系数。负反馈一词意味着晶体管输出端口的信号被耦合回到输入端口并与输入信号反相叠加，所以反馈信号抵消了部分输入信号，使输入信号减小。如果反馈信号与输入信号同相叠加，则信号将增强，此时即得到正反馈。用于双极结晶体管和场效应晶体管的常见电阻反馈电路如图55所示，其中电阻为并联反馈，为串

43、联反馈。（a）双极结晶体管的反馈 (b)场效应晶体管的反馈55电阻性负反馈电路56 负反馈电路的低频电路对双极结晶体管：其中假设理想匹配条件成立（即输入、输出驻波比为1）可得并联反馈电阻与串联反馈电阻之间的关系：其中为传输线的特性阻抗，为晶体管的跨导。把和带入，可得：从上式可见通过选择合适的反馈电阻，增益平坦性和良好的匹配都可以实现。唯一的限制条件是必为正值，所以可知必存在最小值，即的取值范围是：任何满足上式的晶体管都可以用于图55所示的负反馈电路。由于忽略了电抗效应，上述关于负反说电路的分析只能适用于工作在低频频段的理想器件。在实际应用中，由于必须考虑晶体管的内电阻，由此可引出反馈电阻的修正

44、值。此外，在射频和微波频带内，不但晶体管内部的电容、电感影响不能忽略，而且还要研究在反馈环中额外增加的电抗性元件。最常见的情况是增加了一个与反馈电阻，串联的电感。该电感的作用是减小反馈环在高频段的反馈量，以补偿在高频段的逐渐下降。6.功率放大器功率放大器一般用于无线发射机的最后一级来增加发射功率。功率放大器在手机或PCS电话中的典型输出功率为0.3到0.6W，对于基站发射机功率范围为10100W。对于功率放大器主要考虑效率、增益和交调失真。在甚高频(UHF)单个晶体管能够提供10到100W的输出功率，但是在更高的频率输出功率受频率的限制为0.5到1W。不同的功率合成技术可以得到更高的输出功率。

45、上面我们考虑到了小信号放大器，它的输入信号功率很小，可以认为晶体管工作在线性区域。线性器件可以很好的定义S参数，并且不依赖于输入功率或输出的负载阻抗。事实上设计固定增益的低噪声放大器比设计大功率放大器简单很多。由于大多数微波晶体管功率放大器工作在乙类或丙类状态，因此功率放大器处于非线性工作状态，必须采用非线性方法来分析处理。同时，在放大信号的过程中必然产生大量的谐波分量。所以，功率放大器的匹配网络既要有阻抗匹抗的作用，又要有滤波的作用。1.大功率放大器的几个重要的参数效率：RF输出功率与DC输入功率的比率。这种定义有一个缺点是没有考虑射频功率从输入输送到放大器的功率。因而大多数功率放大器相对增

46、益很小，此时效率不能反应真实的效率。一个更好的方法是考虑输入功率的影响即附加功率效率（power added efficiency , PAE）。. 功率压缩：当晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益开始下降，或者压缩。典型的输入输出功率关系可以画在双对数坐标中，如图所示：6-1放大器的输出功率和输入功率的函数关系当放大器的增益偏离常数或比其小信号增益低1dB时，此点就被称为1dB压缩点并用来衡量放大器的功率容量。1dB压缩点的相应增益记为且有，其中是放大器的小信号增益。如果将1dB压缩点的输出功率用dBm表示，则相应的输入功率的关系为：动态范围（）：动态范围用和之差表示了放大器的线性放大区，

47、其中对应于最小输入信号的输出功率，其量值比输出噪声功率大XdB。在大多数情况下，指标XdB取3dB。放大器的输出噪声功率为：若用dBm表示，上式可以变为：其中在T=300K时，173.8dBm，B为放大器带宽。谐波失真：与所有非线性电路一样，大功率放大器会产生谐波（基频的倍数）失真。谐波失真是以dB表示的总谐波输出功率与基波输出功率之差。交调失真（IMD）:通常输出端口有用与无用功率（dBm）之差被定义以dB为单位的交调失真，即6-2放大器交调失真示意图6-3根据输入输出功率关系测量交调失真在线性放大区，输出功率随着输入功率按比例增加，即有。然而，3阶产物却与输入功率的3次幂成正比。所以IMD

48、与输入功率的平方成反比。延伸和的线性区即得所谓得截点（IP）。实际上，如果能够忽略3阶以上的产物，则此截点就是个固定点，即与放大器的特定功率增益无关。这使得我们可以用此截点作为量化交调失真特性的唯一参数。为所谓的无失真动态范围其定义为：MESFET的典型值为100dBm，IP=40dBm，85dB2.微波晶体管功率放大器的设计(1)选择晶体管要根据电路技术指标选择晶体管。为了得到较大的输出功率，应选用热阻小，电流容量大，效率高的晶体臂；为了得到较高的功率增益，应选用高的功率晶体管目前生产的微波晶体管中，有一种是内部已经匹配的管于，即在管子内部的输入端加了阻抗变换网络，输出添加了调谐电路；另一种

49、是内部没有匹配的管子。显然使用前者较为方便。(2)放大器电路的形式 晶体管功率放大器一般采用共发射极或共基极接地方式，场效应管放大器则采用源极接地，以便获得较大功率增益。(3)偏置状态微波晶体管功率放大器一般采用丙类工作状态，以获得较高的效率。有时也采用甲类工作状态，因为甲类状态虽然效率最低，但具有较高的增益、输入和输出的线性好，交调产物少的优点。(4)匹配电路和小信号微波晶体管放大器一样，微波晶体管功率放大器常采用之阻抗匹配段及开路短截线等实现阻抗匹配。它们的不同点只是在微波晶体管放大器中集电极（漏极）电流实际上是一余弦脉冲波形，除含有基波分量外，还含有大量的高次谐波分量。对于工作于丙类的功

50、率放大器，要求输出匹配电路的阻抗对基波呈现最佳阻抗，对高次谐波具有滤波作用，以利于滤去所产生的大量高次谐波分量。(5)散热散热是设计功率放大器的一个重要问题。设计中必须注意工作电流和电压的选择，以使功率晶体管工作对不超过最大允许耗散功率，以免管子损坏。限制的因素有：总的热阻，管子的最高允许结温，和环境温度它们之间存在如下关系：式中又由管子热阻、管壳到散热片的热阻和散热片的热阻等三部分之和组成。因此为了提高管子的耗散功率，应注意功率放大器电路的设计安装和使用条件。1.用管子大信号设计功率放大器在设计小信号晶体管放大器时，为了满足增益带宽的要求，输入和输出匹配电路的参数都可以改变。但是，在设计功率

51、放大器时，输出匹配电路必须首先满足集电极功率和输出功率要求。对于输入匹配电路，主要关心的是得到适当的功率增益和增益平坦度。输入电路的设计与饱和输出功率和集电极（漏极）的效率没有关系。但是，输出电路要影响功率增益和增益频率特性，并且在一般情况下功率增益与饱和输出功率的要求有矛盾。由于功率放大器的饱和输出功率和效率两个参数都是集电极（漏极）负载阻抗的函数，因此完整的功率放大器的设计方法是测量出晶体管的集电极（漏极）负载牵引特性。负载牵引特性在输出功率、效率、功率增益和稳定性等重要指标之间建立了确定的关系。然而负载牵引特性的测量是很费时间的，需要进行大量的测试工作，因此大多数设计者不采用这种方法。目

52、前常用的方法是根据功率晶体管的等效电路，利用厂家给出的（或估算）等效电路参数进行功率放大器的设计。设计功率放大器通常是先设计输出匹配网络，满足输出功率和集电极效率的要求，然后设计输入匹配网络，满足增益和带宽的要求。2.大信号S参数设计功率放大器使用大信号S参数进行放大器的稳定性分析和进行放大器功率增益以及平坦度的设计很有效。但是，基于线性网络的S参数不能预示放大器的饱和输出功率和效率。因此，利用S参数设计功率放大器与设计小信号放大器有所不同，需要根据输出功率的大小选择负载阻抗。用S参数设计功率放大器也分为绝对稳定条件和潜在不稳定条件两种情况。（）绝对稳定条件功率放大器的设计如果所用功率晶体管的

53、S参数满足绝对稳定条件，则可采用双共扼匹配设计。这时可算出最大资用功率增益、源和负载的反射系数和。然后再由和计算输入阻抗和负载阻抗。功率晶体管放大器的设计与小信号放大器设计的主要区别之一是除了考虑功率增益这个重要指标外，还必须考虑放大器的输出能力，即所能达到的输出功率的大小当负载阻抗确定之后，根据其实部的大小，则可以根据：是输出功率，表示集电极电压，是晶体管射频工作时的饱和压降。计算出功率。若计算的输出功率能满足要求，则根据求出的输入和输出阻抗进行匹配网络的设计。若不能满足输出功率的要求，则应提高电源电压或选用更适合的晶体管重新设计。（）潜在不稳定条件下功率放大器的设计对于大多数微波功率晶体管

54、来说，稳定系数K<1，属潜在不稳定情况。因此必须仔细的选择输入阻抗和负载阻抗，以保证放大器能够稳定的工作。潜在不稳定条件下的功率放大器的设计和小信号放大器的设计方法相似，所不同的时要在负载反射系数平面上画出等输出功率圆。该圆就是画在圆图上的等电导圆，其圆心和半径分别为: 式中，表示归一化电导（用归一化）在圆图上画出了等功率圆之后，需要考虑两个问题：一是等输出功率圆要和等功率增益圆相交，这样既满足输出功率的要求，又满足功率增益的要求：二是上述的两圆的交点应处于输出平面的稳定区。等输出功率圆和等功率增益圆的相互关系可能有三种情况：一是有两个交点，它说明有两个不同的负载阻抗能满足功率增益和输出

55、功率的要求；二是两圆相切，即有唯一解；第三种情况是两圆互不相交。在这种情况下需要重新调整原始参数，改变偏置电压或更换晶体管，以便满足设计的要求。当负载阻抗决定之后，根据此负载阻抗值和S参数，就能算出晶体管的输入阻抗，根据输入共扼匹配条件，就能决定信源阻抗值。由上述步骤可以看出，功率晶体管放大器的输出电路设计一般不是根据共轭匹配条件进行的，也就是说，晶体管的输出端口一般是失配的，而输入端口则是匹配的。最后计算和平面上的稳定圆，并判别稳定区和不稳定区，只有当上述设计步骤所决定的负载阻抗和信源阻抗位于稳定区内时，在实际中才能实现，否则，需改变原始数据，重新计算。3.多级放大器如果单级放大器不能实现预定的功率增益指标，则必须采用多级放大器电路。下图是一个典型的两级BJT放大器电路。图6-4两级晶体管放大器除了常规的输入、输出匹配网络(和)之外。这个电路的特色是拥有一个级间匹配网络()以便对第一级