微波与射频技术学案课件

8.1.LinearAmplifierTheory

放大器是电子电路中最常用的基本电路，其目的和作用就是将小信号放大到一定功率电平的大信号，增益是大于1。f1，Pinf1，Pout要求：Pout>Pin放大器分类：LNA(Low

NoiceAmplifier—G,NF等PA(PowerAmplifier)—P1dB,G，IP3等NA(NomarlAmplifier)—G,NF,Pout等微波放大器低噪声放大器（LNA):低噪声系数、高增益功率放大器(PA):高输出功率、高效率

设计过程基于晶体管的S参数。晶体管可以是双极晶体管、FET、HEMT或者是HBT。

最重要的畸变现象是：饱和、交调畸变、谐波畸变以及AM/PM变换等。微波放大器微波放大器微波放大器主要技术指标：1、工作频率f0，工作带宽（绝对带宽，相对带宽）2、输入、输出驻波系数3、功率增益，带内增益波动4、噪声系数5、输出功率Pout,带内功率波动6、直流到射频效率ηdc和功率附加效率ηa7、P1dB8、ICP39、稳定性、负载特性（抗失配特性）放大器电路结构形式：1、单管放大器微波放大器简单，基础；增益不高，输出功率不大。2、级联放大器微波放大器源输入匹配网络输出匹配网络极间匹配网络极间匹配网络ZgFETFETZL最常用的放大器电路形式，技术指标一般。3、平衡式放大器微波放大器3dB90°电桥3dB90°电桥输入Pin输出Pout放大器1放大器2功率分配器功率合成器输入Pin输出Pout放大器1放大器2仅用于功率合成放大电路。可改善输入和输出驻波系数，拓展带宽，抑制某些组合频率分量，也可用于功率合成放大电路。4、分布式放大器微波放大器放大器1放大器2放大器N输入Pin输出Poutl用于宽带和超宽带放大电路，可达十个甚至数十个倍频程。5、注入锁定放大器微波放大器振荡源1振荡源2振荡源n输入Pin输出Pout环形器环形器环形器P1P2Pn主要用于毫米波高端窄带，是典型的二极管类功率放大器（Impatt和Guun），是一种缺乏高频段三极管放大器的解决方案。要求：Pn>……>P2>P1。若不计损耗微波低噪声放大器已知晶体管器件小信号S参数，有1.实际功率增益

2.转换功率增益

3.资用功率增益

微波低噪声放大器对于单向化晶体管，有＝0

8.1.2PowerGainForAUnilateralTransistor

晶体管输入网络输出网络[A]1,[A]2,[A]3…,[S],……,[A]m-2[A]m-1,[[A]m微波低噪声放大器将晶体管的[S]→[A]，有再将[A]t→[S]t，则S21=G在输入端对噪声源进行匹配：式中注意：最佳增益和最佳噪声系数往往不一致，需折中考虑。微波低噪声放大器最大增益条件：微波低噪声放大器已知单向晶体管放大器S参数，设计最大增益放大器的步骤：Stability

MatchingNetwork微波低噪声放大器

匹配网络1.利用并联导纳或串联阻抗的匹配网络

微波低噪声放大器2.利用波长阻抗变换器的匹配网络

微波低噪声放大器3.利用串联短线的匹配网络

微波低噪声放大器例1

使用LC匹配元件设计最大增益放大器，f=1GHz，，，

微波低噪声放大器

微波低噪声放大器输出匹配网络：

，

微波低噪声放大器微波低噪声放大器例2

在50系统中应用微带并联支路去设计f=4GHz的最大增益的放大器

微波低噪声放大器输入匹配网络：

微波低噪声放大器输出匹配网络

微波低噪声放大器微波低噪声放大器8.1.3StabilityConsiderations

微波低噪声放大器两端口网络输入和输出绝对稳定的充要条件为

微波低噪声放大器稳定圆（StabitityCircles）

从上式可以得到：微波低噪声放大器1.InputStabiltiyCircle2.OutputStabilityCircle微波低噪声放大器微波低噪声放大器例3判断下列晶体管的稳定性，画出输入、输出稳定圆

1.

2.

微波低噪声放大器

1.微波低噪声放大器2.

微波低噪声放大器8.1.4Constant-GainCirclesForTheUnilateralCase

微波低噪声放大器theconstant-gaincirclefortheinputnetwork

微波低噪声放大器theconstant-gaincirclefortheoutputnetwork

微波低噪声放大器有三种特殊情况：1.它代表一个点2.该圆穿过Smith圆图的圆心3.（全反射）微波低噪声放大器8.1.5Constant-Noise-FigureCircles

微波低噪声放大器微波低噪声放大器

在设计中，可以将一组输入恒定增益圆和恒噪声系数圆绘制出来，这时就要兼顾噪声系数和增益.特殊情况：微波低噪声放大器8.1.6BandwidthConsiderationAndBroadbandAmplifiers

CompensatedMatchingNetworksBalancedStructuresNegativeFeedbackCircuits4.TheDistributedortraveling-waveDesign微波低噪声放大器例5设计300M-600MHz的10dB的宽带放大器微波低噪声放大器对于输入匹配网络，有：对于输出匹配网络，有：

补偿匹配网络的用途是获得平坦的增益，缺点是电路输入、输出驻波过大.

微波低噪声放大器平衡放大器增益较平坦，输入驻波小代价是两个耦合器和两个放大器。微波低噪声放大器

整个平衡放大器的增益等同于每一个单独的放大器的增益，但输入、输出驻波较低。微波低噪声放大器负反馈电路在宽带放大器中的应用:微波低噪声放大器Where微波低噪声放大器If

So

微波低噪声放大器对于多倍频带宽，采用分布式或行波放大器

微波低噪声放大器8.1.7DCBiasTechniques

Ⅰ：lownoise,lowpowerⅡ：lownoise,highgainⅢ：highPout以上为A类工作状态（classA）Ⅳ：高n，为AB类或B类（classABorB）微波低噪声放大器8.1.8 微波低噪声放大器的设计过程

低噪声放大器（LNA）的设计包括如下几个方面：器件的选择、电路形式的确定、匹配网络的设计、偏置电路的设计。

1 设计目标 频率范围：10―10.5GHz

增益：G>30dB

噪声系数：NF<2dB

微波低噪声放大器2有源器件的选择

前级选用的是FUJITSU公司的超低噪声HEMT器件FHX13LG,它在X波段噪声性能好，且它在这个波段的增益也比较大。在10GHz的最小噪声只有0.4dB。最后的功放单片选用的是Agilent公司的型号为HMMC-5620高增益放大器，它在10―10.5GHz的增益约为16dB。

微波低噪声放大器3电路形式的确定

微波低噪声放大器4晶体管稳定性判断及匹配网络的设计

3.4.1

晶体管稳定性判断

K>1，且

3.4.2匹配网络设计

微波低噪声放大器5偏置电路的设计、仿真与优化

微波低噪声放大器偏置电路的输入阻抗

微波低噪声放大器6 电路的仿真与优化

微波低噪声放大器S参数的仿真结果

噪声系数的仿真结果

微波低噪声放大器7 微波低噪声放大器的实现

微波低噪声放大器微波低噪声放大器8.2小信号FET放大器的非线性分析

微波低噪声放大器有四个非线性元件：Cgs（vg)不随变化Cgd（vg,vd），弱非线性Id（vg,vd)gds(vd,f)强非线性微波低噪声放大器8.2.2FET放大器中的非线性现象

最主要的非线性现象:AM/PM交换谐波的产生交调饱和微波低噪声放大器AM/PM变换、交调→用Volterra级数法进行分析。饱和特性、谐波→用谐波平衡法或Volterra级数法进行分析。微波低噪声放大器激励信号输出响应电流：1.饱和和AM/PM变换

相对畸变D（ω）:总输出电流与线性（一阶）部 分之比。代表偏离线性工作状态的分数偏差。微波低噪声放大器微波低噪声放大器2.谐波的产生二阶谐波的输出电流是三阶谐波的输出电流是微波低噪声放大器

一个谐波也可能有一个高阶频率分量。例如，二阶谐波可能包括一个四阶分量，即第n阶谐波的最低阶分量的相对畸变是在线性工作状态时有微波低噪声放大器3．交调畸变

微波低噪声放大器输出三阶分量相对畸变8.3优化MESFET放大器的线性

研究把放大器设计成具有最佳线性的问题1.MESFET的直流偏置为什么会影响它的线性？直流偏置是如何影响MESFET的线性的?2.如何选择源和负载阻抗才能把交调减到最小？3.如何设计具有指定增益或噪声系数的放大器？如何在噪声系数或增益的约束范围内优化放大器的线性？4.二阶交调频率的MESFET源和负载端接的影响是什么？5.MESFET的哪一种非线性对FET放大器交调性能影响最强烈？能否设计出把最重要的那些非线性减到最小的器件？微波低噪声放大器8.3.1建立MESFET模型

微波低噪声放大器微波低噪声放大器在频率为10GHz时，S参数是：

稳定性因子K=0.49，所以器件是有条件稳定的微波低噪声放大器8.3.2偏置对线性的影响

改善FET放大器线性的一个主要方法是增加其直流漏电流（但这会使放大器的噪声系数变坏）.微波低噪声放大器8.3.3源和负载阻抗对线性的影响

优化线性时，源和负载阻抗的选取一直是FET放大器设计中的一个关键问题，恰当地选取这两个阻抗，特别是对负载阻抗的选取，对微波和毫米波放大器的输出遮断点将产生极大的影响。微波低噪声放大器微波低噪声放大器8.3.4增益、匹配和噪声系数的约束对线性的影响

微波低噪声放大器微波低噪声放大器8.3.5低阶混合频率的源和负载端接对线性的影响

微波低噪声放大器8.3.6各个非线性元件对线性的影响微波低噪声放大器8.3.7结论

在优化放大器线性过程中，的选取是十分重要的。控制放大器交调性能的特性的线性也是很重要的微波低噪声放大器微波功率放大器工作方式：工作在饱和区，有甲类（A类）、乙类（B类）、 甲类（AB类）和丙类（C类）等工作状态。设计要求：①高P1dB（或Pout）和IP3；②高ηdc；③高Gt分析方法： ①近似初始设计→仅计算小信号参量，准线性理论。 ②谐波平衡法→计算大小信号的非线性参量。设计任务：①选择合适的FET类功率器件。 ②选择恰当的工作状态：甲、乙、甲乙或丙类。 ③求解合适的源和负载阻抗，实现共轭匹配。 ④选择偏置点，得到最佳的输出功率和效率。 ⑤谐波平衡法验证：输出功率、饱和、谐波，并调整。功率放大器器件选择： 一般情况下，在射频频段和微波低端（3GHz以下）选用硅功率管，而在微波高端选用砷化镓（以及磷化铟，氮化镓等）功率器件。 为了得到大功率输出，选用大栅宽器件。 以GaAsMESFET为例，输出功率三个因素：1、漏—栅击穿电压 →栅长加大（输入电容和跨导）→增益降低2、最大沟道电流 →增大栅宽→寄生参量增加，Rg和Cgs下降3、热特性：由于GaAs热传导差，要求管芯→管壳→电路腔体的热阻小，腔体可采用风冷和液冷散热。散热特性还会影响输出功率、增益和效率微波功率放大器非线性电路与系统（注意Vgg和Vdd的正负）夹短电压Vt＝－1.0-0.8-0.6-0.4工作状态选择微波功率放大器非线性电路与系统工作类型导通角效率％甲类（A类）

50甲乙类（AB类）<50～78乙类（B类）78丙类（C类）>78电路非线性特性越强微波功率放大器可见： 对于等幅连续波信号放大器，要求非线性失真小时，大多数采用甲类工作状态，但效率较低；而脉冲功放，多采用乙类或丙类工作状态，非线性产物较多，增益偏低，但效率提高。 为了得到高效率功放，还可采用D、E和F类工作状态的功率放大器。 对于乙类工作状态，导通为0~π，截止为π~2π，漏极输出电流将产生高电平谐波分量，解决方法可采用推挽功放。 在无输入信号时，甲类工作状态有漏极电流，要消耗直流功率，而乙类或丙类则无漏极电流。微波功率放大器功率放大器的设计包括：

1、准确的有源器件建模（大信号非线性等 效电路模型和参数）；

2、工作状态；

3、有效的阻扰匹配；

4、工作的稳定性并易于实现。功放的关键参数是它的线性度：包括P1dB，三阶交截点，三阶和高阶互调失真等。改变器件的偏置条件可改善线性度或增加效率，同时它也决定了A、AB、B或C类工作状态。微波功率放大器§9.1主要特性

工作功率增益2.资用功率增益3.转换功率增益微波功率放大器二、稳定性

1.采用K>1的有源器件；2.如果K<1，则合理选择源和负载的阻抗；3.破坏可引起寄生振荡的等效电路；4.选择与有源器件输入输出相邻接的电路匹配元件以避免自振荡条件成立。微波功率放大器微波功率放大器微波功率放大器§9.2线性度

i=f(v)微波功率放大器微波功率放大器1.器件偏置点的变化直接比例于转移函数的二阶导数（一般情况下是偶阶导致）；2.如果三阶导数（一般情况是奇数）等于零，则器件转移函数是线性的；3.偶次谐波分量是转移特性中偶次导数项作用的结果，而奇次谐波分量则是奇次导数项作用的结果；4.一阶混合产物（和、差、产物）的产生是以偶阶导数的存在为前提条件的；5.三阶或更高阶的产物主要由奇阶所决定；6.失真，由转移特性的二阶导数（幅度的二次方）决定的失真称为二阶互调失真，由三阶导数（幅度的三次方）决定的失真称为三阶互调失真。微波功率放大器微波功率放大器IM3=101g(P2w1-w2/P)=P2w1-w2-P(dBc)IM5=101g(P3w1-2w2/P)=P3w1¬2w2¬P(dBc)∴IM3=P2w1-w2-Pw1=2Pw1-2IP3(dBc)微波功率放大器§9.3基本工作状态

微波功率放大器Vin=Vb+Vincoswt

V=Vcc-(i-Iq)R

V=Vcc-Vcoswt

微波功率放大器微波功率放大器Po=IqVccP=0.5IVη=50%微波功率放大器微波功率放大器i=o=Ia+Icosθ

i=I(coswt-cosθ)1.当θ＞90°时，那么cosθ＜0，Iq＞0,对应于AB类工作模式；2.当θ=90°时，那么cosθ=0，Iq=0，对应于B类工作模式；3.当θ＜90°时，那么cosθ＞0，Iq＜0，对应于C类工作模式。微波功率放大器微波功率放大器§9.4实际的微波功放电路图

微波功率放大器PowerAmplifier§9.6MESFET功率放大器的设计

一、甲类放大器的近似设计

微波功放线性化技术PowerAmplifierYL=GL-jwCds

利用谐波平衡分析对电路进行检查：（1）弄清楚所需求的输出功率是否达到；（2）确定谐波输出功率和饱和程度；（3）调整偏置电压、负载及源阻抗以达到最优性能。微波功放线性化技术PowerAmplifier二、乙类放大器的近似设计

理想乙类放大器的负载阻抗与具有相同输出功率的甲类放大器的相同.微波功率放大器三、设计举例和性能研究

微波功率放大器微波功率放大器例１设计甲类功率放大器首先确定负载阻抗。由漏I/V特性及负载线可以得到Vmax＝14.7V，Vmin＝1.3V，Imax＝500mA，Imin＝40mA，Idd＝270mA。其负载阻抗是ZL＝9.3+j13.5微波功率放大器首先必须求偏置点处的Cgs，从图得到Vg＝-0.7V,则谐波平衡分析表明，在1dB压缩点的功率为27.6dBm，功率附加效率为22%。饱和输出功率（ηa为最大时的功率电平）是29.2dBm，在这个输出电平上的增益为6.2dB，效率是28%。Zin=Z*s=2.3-j4.3微波功率放大器优化设计包括依经验调整负载阻抗使输出功率最大；调整栅偏压使功率和功率最佳；在额定输出时确定输入阻抗，再把源阻抗调整到其共轭值。经优化所得到的几个参数是：最佳负载ZL=9.0+j2.0Ω，在1dB压缩点时源阻抗Z8=2.5+j4.5Ω，最佳栅偏压Vg=-0.8V。

优化后放大器的性能是：1dB压缩点时的输出功率为27.8dBm，饱和输出功率为29.5dBm，饱和增益为6.4dB，功率附加效率为30%。相位的直流参数是：直流漏电流在饱和时为290mA，直流功率为2.3W。微波功率放大器例2设计乙类功率放大器。首先讨论偏置电压。设漏极偏置电压Vdd仍为8V，为了使器件大约0.1Idss(即40mA)的静态电流，把栅偏压调整到Vgg=-2.0V。第二步，假设谐波源和负载阻抗是短路的，因此，只讨论基波源和负载阻抗的选取问题。选用甲类放大器的负载阻抗作为乙类放大器的负载阻抗。Zs的初始估算值为Zs=Z*in=2.7+j7.6Ω。

第三步，由谐波平衡分析优化设计。

微波功率放大器一般来说乙类放大器比甲类放大器有大的直流效率和低的增益。微波功率放大器四、谐波源和负载阻抗不为零时所产生的影响

上面两个例子中，假设谐波源和负载阻抗均为零，实际上这是不可能的。乙类放大器对谐波端接更敏感。微波功率放大器由于基波和谐波频率的源阻抗对放大器的输出功率的影响非常小，谐波频率源阻抗对增益没有影响，所以可以不考虑输入端的谐波端接。微波功率放大器FET功放的谐波平衡分析+-Vdd-+Zs(nωp)Vs(t)VggZl（nωp）有三个非线性元件：Cgd,Cgs和Id微波功率放大器-+Vs(t)Vgg+-VddCgs(Vg）Id(Vg,Vd)V1V3I1I2Zg(nωp)RgRiCdsZL(nωp)RdRsLs线性子网络非线性子网络Cgd(Vg）V2I3微波功率放大器这里V1=vg-igRg,V2=vd-vg近似取V1=vg,V2=vd建立起谐波平衡方程，采用牛顿法求解。Jacobian矩阵：其中微波功率放大器Jacobian矩阵形式而元素Jm,n=Ym,n+Gm,n+jωCm,n 得到三个端口（非线性元件）的电压波形，就可得到任何元件的电压和电流波形，可求出输出功率、增益和谐波分量等。微波功率放大器微波功放线性化技术 在现代数字通信中，微波功放的线性化性显得尤为重要。由于微波功放工作在饱和区，具有强非线性特性，使得输出的信号具有很强的非线性产物，失真相当严重，包括三阶交调、谐波、AM/PM变换和群时延失真等等。以三阶交调为例，三阶交调恶化1dB（三阶交调遮断点功率下降1dB），造成数字通信误码率增大80%。 可见，在所有非线性失真中，三阶交调造成的误码率尤为严重和突出，并且其他非线性产物有一定的相关性，所以在同等输出功率条件下，改善三阶交调失真特性，即提高三阶交调遮断点功率成为微波功放线性化技术的核心和主要工作内容。 现代数字通信中，不仅关注发射机输出功率大小，更关注三阶交调失真和功放效率。微波功放线性化技术激励输入响应输出输出三阶交调与Vs3成正比，线性输出与Vs成正比。Vs很小时，,近似认为是线性的，即与Pout的特性几乎一致；Vs较大时，P（ω1）被压缩。在三阶交调功率遮断点，有Pout=P（2ω1-ω2），的IP3取R=50Ω微波功放线性化技术由P（ω1）=P（2ω1-ω2），有所以再由最后得普通放大器所具有的一般规律。而功放线性化技术的目的是：IP3-P1dB=C>10.63（dBm）微波功放线性化技术功放线性化技术的几种措施：1、功率倒（回）退法：

Pin减小1dB，三阶交调改善3dB，而线性输出功率仅减小1dB，即采用减小Pin来改善线性。简单、方便，但代价高、成本大。2、负反馈法： PAB输入输出+=PAB输出 物理概念清楚和电路简单，但改善量有限和稳定性差，且仅用于低频段和窄带情况。微波功放线性化技术3、预失真NGPA输入输出分数字预失真和模拟预失真，结构相对简单，成本低，能改善十多dBc，常用于小型移动通信终端。预失真器可在中频实现。4、前馈法PANG+=输入输出NGPA输出电路结构复杂，成本高，改善大，可达60dBc，常用于基站。微波功放线性化技术§9.5功率放大器线性化技术

一、前馈线性化技术

微波功放线性化技术微波功放线性化技术微波功放线性化技术前馈线性化技术应用于1.885GHZ的功率放大器，输出功率为37dBm，功率增益为37dB，平坦度为1dB，在30MHz工作频带内相位变化5°。使用MRF6404器件，在双音测试信号测量下，功率放大器的三阶互调分量仅为-24dBc。结果，第一个线性化环抵消性能为45dB，实行前馈功率放大器后，三阶互调分量减小到-61dBc。

微波功放线性化技术二、预失真线性化技术

微波功放线性化技术一个X波段多载波4.5W的功率放大器，线性化器的输入为22dBm，线性化器12dBm输出时的相位偏移达-10°。微波功放线性化技术PowerAmplifier所要求的振幅和相位的特性是由于GaAsMESFET跨导gm，栅-源电容Cgs和漏电-源电导Gds的非线性来实现的。对于具有栅极宽度1.2mm，在Ls=20nH时，gm的非线性贡献的是正的幅度偏移。同时，只要Ls≥3NH，gm和Gds的非线性贡献是负的相位偏移。应用这种技术到1.9GHZ具有1dB压缩功率为17dBm的MMIC功率放大器，当使用Ω/4相移正交相位键控信号（QPSK）时，可以实现改善ACPR达7dB。微波功放线性化技术PowerAmplifier只有使用具有零漏-源偏置电压的源-地MESFET器件，才有可能实现正规的幅度和负的相位偏移微波功放线性化技术PowerAmplifier在1.9GHZ的MMIC功率放大器中，应用这种线性化器，对QPSK调制信号可实现ACPR改善高达5dB。微波功放线性化技术PowerAmplifier微波功放线性化技术PowerAmplifier微波功放线性化技术高效率微波功放技术1.无线电系统对发射机效率提出了更高要求。2.提高效率的途径：宽禁带半