uestc微波固态电路第三章微波晶体管放大器-改

第三章

微波晶体管放大器主要内容微波双极结型晶体管微波场效应晶体管微波晶体管放大器的特性小信号微波晶体管放大器的设计微波晶体管功率放大器特性用小信号S参数设计微波晶体管功率放大器

§3.1引言分类：

晶体管器件分为结型晶体管和场效应晶体管。用途：放大器、振荡器、开关、移相器、有源滤波器结型晶体管包括双极结型晶体管和异质结双极型晶体管，它既可以是NPN结构，也可以是PNP结构。材料：结型晶体管是使用硅、硅-锗、砷化镓和铟化磷材料制成。世界上第一只点接触三极管出现在1948年，随着半导体材料的不断改进和更新，晶体管的品种和性能取得了飞速发展。§3.1引言20世纪50年代，三极管基本选用的是锗材料，其性能和可靠性都受到很大限制，基本没有实用器件进入微波领域。20世纪60年代初，随着硅材料的改进和平面工艺的出现，硅三极管性能的改进不仅使其工作频率进入微波领域，而且还在不断提高。硅结型晶体管用作放大器，频率范围可达2~10GHz，而用在振荡器中时频率高达20GHz。使用SiGe的结型晶体管可用于20GHz或更高工作频率。异质结双极型晶体管（HBT）使用GaAs或InP材料，能在超过100GHz的频率工作。§3.1引言

场效应晶体管（FET）可有多种类型：金属半导体场效应晶体管（MESFET）高电子迁移率晶体管（HEMT）赝晶型高电子迁移率晶体管（PHEMT）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）金属绝缘物半导体场效应晶体管（MISFET）§3.2微波双极结型晶体管双极晶体管（BJT）由两个相距很近的PN结组成，它包含电子和空穴两种极性的载流子参与导电，所以称为双极晶体管（以区别单极管与FET），它是目前应用最广泛的半导体器件之一。硅双极晶体管在X频段以下有优势，而AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管（HBT）在超过200GHz上占优势。微波硅双极性晶体管微波双极晶体管结构图微波硅双极性晶体管双极晶体管共射极简化等效电路

rbb:基极串联电阻re:发射极正偏交流电阻rcc:集电极串联电阻Cc1:集电极反偏势磊电容Cc2:集电极和基极势磊电容

CTe:发射极正偏势磊电容CDe:发射极正偏扩散电容Cbc,Cbe,Cce:封装电容Lb,Le,Lc:封装电感α0:Ic/Ie

（Vcb=0），发射极到集电极的电流传输系数（α

=β/（1+β

））晶体管的增益带宽积fT(即特征频率)

ec是发射极到集电极的总延迟时间微波硅双极性晶体管

提高微波双极晶体管增益带宽积的措施：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。可减小基区宽度WB，电极尺寸受工艺水平限制，同时也影响器件的承受功率。另一种方法是恰当地选择基区掺杂浓度与梯度来实现漂移场，加速载流子的运动速度。

微波硅双极性晶体管微波双极晶体管交指型结构示意图

低噪声双极晶体管功率增益GP

：在某一特定测试条件下，晶体管的输出功率与输入功率之比。

低噪声双极晶体管几种功率增益：插入增益GT：即共射极接法的微波管，插入到特性阻抗为Z0的传输系统中所提供的功率增益。（Γs=ΓL=0）最大可用功率增益Gmax（或MAG）:它是指在晶体管输入和输出完全共轭匹配条件下，晶体管所能提供的最大实用功率增益，即最大单向功率增益Gu，它与Gmax的不同在于它忽略内部反馈，即假定S12=0时的最大功率增益为

低噪声双极晶体管微波双极晶体管GT、Gmax、Gu与频率的关系规律：6dB/倍频程下降

低噪声双极晶体管噪声系数F

：晶体管的输入端信号/噪声功率比与输出端信号/噪声功率比的比值。

噪声来源：热噪声：主要由载流子的不规则热运动引起的，它的大小与晶体管本身欧姆电阻有关。散粒噪声：由于电流流动时载流子运动的起伏产生的，其大小与电流成正比。闪烁噪声：一般认为与半导体制造工艺及表面处理情况有关。

低噪声双极晶体管双极晶体管的噪声系数随频率的变化

1/f噪声白噪声噪声系数

定义：在输入噪声功率为kT0B时，网络输入信噪比与输出信噪比的比值，反映了网络产生的噪声大小或者Te。其中:J/K，波尔兹曼常数T0是常温290K即输入噪声功率为-174dBm/Hz网络产生的噪声功率：kTeB，Te为等效噪声温度。

网络产生的噪声功率不变；网络输入和输出信噪比的恶化与输入的噪声功率有关；信噪比不会改善。

常温下，无源网络的插损为L，则线性二端口网络的噪声系数F可以表示为：

式中：Rn为线性二端口网络的等效噪声电阻。：二端口网络的最小噪声系数。

Ysopt＝Gsopt+jBsopt：获得最小噪声系数要求的最佳信号导纳。

它们都可以用测量的方法得到。Ys＝Gs+jBs为信号源导纳功率双极晶体管耗散功率大于1W的晶体管被定义为功率晶体管电流容量大，要求增大发射极周长以及发射区和基区面积。即获得最大的发射极周长/面积的比值。电极结构：梳状结构、覆盖结构和网状结构。功率双极晶体管

主要指标有：输出功率功率增益工作类别功率双极晶体管输出功率取决于自身的电流和电压承受能力常用的输出功率定义：

饱和输出功率P0：指微波功率管在特定测试条件下所能获得的最大输出功率。

线性输出功率P1dB：也称为1dB增益压缩时的输出功率。

脉冲输出功率Pp

：当晶体管在脉冲工作状态下（脉冲调制微波），所能获得的最大输出功率。Pp>

P0功率双极晶体管晶体管输入-输出功率曲线

晶体管在小信号工作时，其功率增益保持不变。但随着输入信号的增大，晶体管开始进入非线性区，这时功率增益将随着输入增加而逐渐下降。当增益下降到比线性增益低1dB时，所对应的输出功率即定义为1dB压缩输出功率，有时也简称为线性输出功率。功率双极晶体管功率增益取决于晶体管的fT及其动态阻抗。功率管的测试往往是基于获得最大输出功率，而对应的增益就不是最大，一般给出的值都与输出功率状态相对应。由于功率放大器是非线性工作，小信号线性分析已不适用，目前实际电路设计中常采用以下三种方法，即动态阻抗法、大信号S参数法和负载牵引法，因而对功率晶体管要求给出各种相应的附加参数。说明：工作类别有三类，即甲、乙、丙三类（也称为A、B、C三类）。甲类：发射结处于正向偏压，静态时维持较高的静态电流。

特点：增益高、噪声低、线性好；

缺点：输出功率小且效率低，其理论效率为50%，实际25%~40%乙类：发射结处于零偏压，静态时无电流，在外信号到来时，开启发射极结才能进行放大，只是开启功率要比丙类小。

特点：与甲类相比是输出功率大，效率高，其理论最高效率可达78%；而与丙类相比是线性好，增益高。为克服零偏压处的失真，也可稍加一点正向偏压，这称甲乙类（或AB类）放大。丙类：发射结处于反向偏压，静态时没有直流电流(只有很小的集电极反向漏电流)，当外信号到来时，将发射结打开，才起放大作用。

特点：输出功率大，集电极效率高，最高理论效率可接近100%，实际可达50%～70%；

缺点：增益低、线性差和噪声大。异质结双极晶体管（HBT）硅双极晶体管是采用同一半导体材料形成PN结，称同质结双极晶体管。结构上存在基极电阻与发射极注入效率间的矛盾，限制频率提高。由不同半导体材料接触形成的异质结双极晶体管HBT可从根本上克服这个矛盾。

采用发射极比基极有更宽禁带的半导体。通过选择异质结能带，使HBT的电流增益与基极和发射极掺杂无关，降低了基极电阻、输出电导以及发射极耗尽电容，从而大大改善了高频性能。§3.3微波场效应晶体管GaAsMESFETGaAsHEMTGaAsMESFETGaAsMESFET的结构示意图

工作原理：控制栅压Vgs（↓）可以灵敏改变耗尽层的宽窄，从而调制沟道厚度，最终达到控制漏流Ids（↓）Vgs≤0GaAsMESFET（a）管芯等效电路（b）等效电路元件在结构中的位置

MESFET管芯等效电路

Cgs:栅源部分耗尽层结电容Cdg:栅漏部分耗尽层结电容

Cdc:畴电容，模拟沟道中电荷偶极子的电容Cds:漏极和源极之间的衬底电容Cdc:畴电容，模拟沟道中电荷偶极子的电容Rgs:之间未耗尽层的电阻Rg,Rs,Rd:栅、源和漏极串联电阻（体电阻及引出端接触电阻）Gds:漏极微分电导（=dIds/dVds|Vgs

=

常数）gm:小信号跨导，gmVgi

受控电流源GaAsMESFET参数包括：零栅漏极电流Idss、共源正向跨导gm、栅漏击穿电压VBR、夹断电压Vp以及栅-源截止电流Igss等。频率参数fT的定义与双极晶体管的不同，它由下式表示：Cgs是FET的栅-源电容，

gm是共源正向跨导，其定义为：在共源电路中，固定漏压下，单位栅压改变引起的漏极电流改变，即，Vds=常数。

GaAsMESFETVgs/Vp

=0MESFET中Ids、与Vgs、Vds的关系曲线低噪声GaAsFET功率增益

Gp小功率时插入增益一般不符合6dB/倍频程的下降规律。但其最大单向化功率增益和最大可用功率增益（或MAG）仍符合6dB/倍频程的下降规律。噪声系数F：随频率的变化与双极管不同，随频率单调上升，在低频段上升缓慢。功率GaAsFET输出功率P0和最佳负载

GaAsFET的输出特性曲线VBR是栅漏击穿电压功率GaAsFET饱和输出功率P0

、线性输出功率P1dB和脉冲输出功率PP。功率增益Gp

：取决于fT和动态阻抗，与输出功率有关。高电子迁移率晶体管（HEMT）P-HEMT的结构图

低沟道电阻和源电阻，使噪声系数极低。§3.4微波晶体管放大器的特性微波晶体管放大器的主要指标:功率增益噪声系数稳定性输入和输出驻波比（VSWR）输出功率工作频带线性度动态范围微波晶体管的S参数晶体管四个S参数的物理意义S11是晶体管输出端接匹配负载时的输入端电压反射系数S22是晶体管输入端接匹配负载时的输出端电压反射系数S21是晶体管输出端接匹配负载时的正向传输系数，代表功率增益S12是晶体管输入端反向传输系数，代表晶体管内部反馈的大小

晶体管四个S参数的特点S11S22双极晶体管双极晶体管输入输出等效电路MESFET输入输出等效电路晶体管四个S参数的特点双极晶体管的S21在频率低时较大，但随频率升高而下降快，通常以6dB/倍频程速率下降，MESFET在一定频率范围内变化较小，因此有利于宽带设计。双极晶体管和MESFET的S12都随频率升高而增大。

MESFET的S12要小得多，作放大器时稳定性好；作振荡器时，需加外反馈元件。微波晶体管放大器的增益

负载端与信源端的反射系数分别为:微波晶体管放大器的增益计算放大器功率增益的三种定义转换功率增益资用功率增益实际功率增益转换功率增益GT定义：放大器负载吸收的功率PL与信源可用功率Pa之比。当晶体管2-2’端口接负载ZL时，。

输入端：对应输入阻抗：同理，当1-1’端口接信源阻抗ZS时（将信号源aS短路），可求得输出端反射系数：（3.16a）转换功率增益GT含义：晶体管两个端口之间无反馈，则输出端负载与输入阻抗没有相互影响，此时的晶体管叫做单向化器件。入射功率（3.17a）反射功率（3.17b）放大器输入功率（3.17c）信号源可用功率（3.17d）转换功率增益GT其中aS是信号源接匹配负载时的归一化入射波。转换功率增益转换功率增益与晶体管的S参数和负载阻抗、信源阻抗都有关系，即大小与两个端口的匹配程度都有关。物理意义：插入放大器后负载实际得到的功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍

单级微波晶体管放大器的电路模拟

输入匹配网络的有效增益系数：

晶体管自身的有效增益系数：输出匹配网络的有效增益系数：总变换增益是即当和

时，

达到最大值，

称为双共轭匹配。

此式说明了晶体管自身参数但这样并未充分发挥晶体管用作放大器的潜力。只有共轭匹配，才能传输最大功率

的物理意义。当晶体管内反馈很小时，则可忽略S12进行单向化设计。即当S12≈0，单向化转换功率增益为资用功率增益Ga定义：放大器输出端的资用功率PLa与信号源资用功率Pa之比。放大器输出端的资用功率为：其中故放大器在输出端口的等效波源，如图所示。

放大器输出等效波源

资用功率增益Ga根据等效信源波的物理意义，有

端口的输出资用功率为

其中资用功率增益Ga

资用功率增益只与晶体管S参数和信源阻抗有关，而与输出端口的匹配程度无关，利用此式便于研究信源阻抗变化对放大器功率增益的影响。物理意义：插入放大器后负载可能得到的最大功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍。资用功率增益只是表示放大器功率增益的一种潜力。实际功率增益G

定义：负载所吸收的功率与放大器输入功率之比。实际功率增益G只与晶体管S参数和负载阻抗有关，而与输入端口的匹配程度无关，此式便于研究负载变化对放大器功率增益的影响。其中三种功率增益间的联系

式中，M1、M2分别为输入、输出端失配系数。三个功率增益中若已知其中一个，即可知另外两个。一般情况下，，表示两个端口都偏离共轭匹配，所以，双共轭匹配时，，此时

微波晶体管放大器的稳定性S12意味着放大器有内反馈，可能造成放大器不稳定（这可以从放大器输入端口或输出端口是否等效有负阻来进行判断）如果放大器端口存在负阻，则有可能（并非一定）产生自激振荡，这意味着或。假设放大器输入阻抗，则输入端反射系数的模为可见当时，。输出端口类似。因为和与源和负载匹配网络有关，因而放大器的稳定性依赖于通过匹配网络提供的和。因此，当采用S参数法来分析放大器时，就从其输入端口或输出端口反射系数的模是否大于1来判断放大器的稳定性。稳定判别圆由可见和是分式线性变换的关系。

由上式可以推得，当时，，只与网络的有关。它表示一个圆心在,半径为的圆

L，

1相互映射均由晶体管S参数决定在的条件下，S2圆将平面分成圆内、外两部分——

稳定区：包含原点（=0）的部分；

不稳定区：不包含原点的部分；

S2圆称为“稳定判别圆”，或称“输入稳定判别圆”（判断的是输入端口的稳定性）；也称“输出稳定圆”（是输出负载平面上的一个判别圆，用来确定对输出负载的正确选择）。

101010复平面复平面复平面圆圆S2圆与单位圆的相对关系有两种情况，六种可能性（当时）（a）10圆

10圆（b）10圆（c）10圆（d）10圆（e）圆10（f）当，此时必定——不包含原点

因为所以，当，时，即（a）、（b）、（c）三种可能性，S2圆外为稳定区，S2圆内为不稳定区。（a）10圆

10圆（b）10圆（c）而当时，此时必定。所以S2圆必定包含原点。图（d）、（e）、（f）三种可能性，S2圆内为稳定区，S2圆外为不稳定区。10圆（d）10圆（e）圆10（f）用同样方法，由，得到平面上的稳定判别圆（S1圆），可称为输出端口稳定判别圆或输入稳定圆。S1圆方程为：其中绝对稳定与潜在不稳定（有条件稳定）

由图（a）、（d）可见，单位圆内全部是稳定区，即对于任意，都满足；同时对任意，也都满足，则这样的晶体管称为是绝对稳定的（无条件稳定）。用这样的晶体管设计放大器，其两个端口端接的无源阻抗都可以任选。（a）10圆10圆（d）其余四种情况都在单位圆内存在不稳定区，设计放大器可有两种方法：（1）避开并远离不稳定区，即选择图中（或）单位圆内非阴影区，仍能使输入端口（或输出端口）稳定；（2）如果不稳定区内的某值使，但只要在输入端口所接能满足，则仍然可以使之稳定。

一般只取第（1）种。这两种方法虽然能使放大器仍然稳定工作，但包含着不稳定因素。如果端接负载有所变化，可能就会发生振荡，因此称为有条件稳定或潜在不稳定。

绝对稳定的充要条件对图（a），有，代入R2及表达式得

因为所以得K为稳定系数。（a）10圆绝对稳定的充要条件对图（d），有

且可知因为所以不等式换号得所以K>1是输入端口绝对稳定的必要条件。（3.51）（3.50）10圆（d）绝对稳定的充要条件将式K>1倒推回去时，开始各式均成立，唯独到最后由式（3.49）：，并不一定导致，必须增加一个条件才能保证充分性，因此只检验K>1是不充分的。即：或绝对稳定的充要条件同样可证明输出端口绝对稳定的充要条件为设计放大器时应保证晶体管放大器两个端口都绝对稳定，因此晶体管双口网络绝对稳定的充要条件为：对所有频率都应满足放大器的稳定措施如果在工作频段内场效应晶体管或双极晶体管处于非稳定状态，则应当采取适当措施使晶体管进入稳定状态。方法是在其不稳定的端口增加一个串联电阻或并联电阻。下图给出了输入端口的电路。这个电阻必须与一起抵消掉的负阻成分。

（a）并联电阻（b）串联电阻

输入端口稳定电路的条件：

或

输出端口稳定电路的条件：

或用增加电阻的方法实现晶体管稳定的代价包括：产生功率传输损失；晶体管的噪声系数恶化（由于电阻产生的附加热噪声）

微波晶体管放大器的噪声特性噪声系数：任意线性两端口网络，输入端接入和网络输入电阻相等的源电阻，并处于标准温度时，网络实际输出的总噪声功率和仅由输入端电阻产生的输出噪声功率之比为网络的噪声系数，即式中，—输出端的总噪声功率，B—带宽，G—网络的可用增益，k—玻耳兹曼常数，k=1.38

10

23J/K。考虑一个具有增益，，…，和噪声系数，，…，的n级串接级联二端口网络，则此n级二端口网络的总噪声系数为微波晶体管放大器的噪声特性通常，将噪声系数用dB表示为:任意有噪声两端口网络，如图（a）所示。将其内部噪声全部等效到输入端，表示为一个等效噪声电压源和一个等效噪声电流源，则网络自身变成理想无噪声网络，如图（b）所示。由于在理想无噪声网络前、后的信噪比不变，因此可以去掉该网络来进行噪声系数计算，见图（c）。

（a）（b）（c）有噪声的二端口网络

微波晶体管放大器的噪声特性假如电路以电压噪声为主，则采用一个高的源阻抗会使传输的噪声信号最小；假如以电流噪声为主，则连接一个低的源阻抗会使传输的噪声信号最小。当两种噪声源同时存在时，从电路的最小噪声系数将得出一个特定的源导纳（或源阻抗），称之为最佳源导纳。噪声系数可以用等效网络的四个噪声参数来描述式中，四个噪声参量为：等效噪声电阻Rn，最小噪声系数Fmin，最佳信源电导Gopt和电纳Bopt。以信源反射系数来表示：这时对应的四个噪声参量为：等效噪声电阻Rn

，最小噪声系数Fmin

，最佳信源反射系数的模及幅角。（3.65）§3.5小信号微波晶体管放大器的设计

任务主要是在一定的中心频率及频带范围内设计输入、输出匹配网络，使其满足一定的增益、噪声系数要求，此外，还需满足输入、输出驻波比的要求。高增益设计假设实际信源及负载阻抗都等于传输线特性阻抗，则即则要求输入匹配网络M1使变换到、输出匹配网络M2使变换到，并同时满足以下联立方程：

SR

SG¢

,SZGS

,LZGLoutG

inG

11S¢

22S¢

LG¢

LR

输入

匹配

网络

M1输出

匹配

网络

M2FET

说明：①开路支节的终端，可以是开路，也可以是短路端口，实际中常用开路端口。②

/4阻抗变换器及指数数变换器只能将两个实数阻抗加以匹配。③指数渐变线和多节

/4阻抗变换器具有宽带特性。

并联型匹配网络串接型匹配网络双共轭匹配因为，即晶体管内部反馈不可忽略，放大器为双向器件，输入、输出端口互有影响，必须解上述联立方程，得到双共轭匹配的条件为其中

用稳定系数K表示的形式为：将其代入转换功率增益的表达式可得：

在晶体管绝对稳定条件下进行双共轭匹配设计时，、都取带负号的解，此时，，最大转换功率增益也应取负号。最大稳定功率增益被定义为K=1的临界情况：由测得的晶体管S参数，很容易由以上两式估计晶体管在绝对稳定条件下、无外反馈时的最大增益潜力。宽带设计在频带高端按双共轭匹配设计，在频带低端因失配而使放大器增益偏离最大值

下图中晶体管随频率增加而下降，曲线M表示匹配网络频率特性，二者趋势正好补偿。假设由晶体管和匹配网络M1、M2构成的总网络的散射参数用表示，则当时，总网络的输入反射系数即为，输出反射系数即为，因此整个放大器的输入驻波比及输出驻波比分别为

SR

SG¢

,SZG

,LZG

outG

inG

11S¢

22S¢

LG¢

LR

输入

匹配

网络

M1输出

匹配

网络

M2FET

SL例3.1用cfy66-08HEMT管设计一个中心频率为5.4GHz的窄带晶体管放大器，要求获得最大转换功率增益达20dB以上。解：（1）选工作点为，，，测出cfy66-08HEMT管在5.4GHz时S参数为（2）检验稳定性因为K<1，且，所以该晶体管是潜在不稳定的。

（3）增加稳定性

在漏级串联一个55

的电阻，牺牲增益以提高稳定性。

整个网络的S参量求解：将晶体管的S参量变换为阻抗参量，然后将晶体管的阻抗参量与电阻的阻抗参量相加，最后再将总阻抗参量变换成S参量。经计算此时新网络的S参数为

（4）计算双共轭匹配时源和负载的反射系数。（5）计算单级最大资用功率增益可见，一级放大器不能实现20dB增益指标，因此设计一个两级放大器，其输入、输出及级间匹配网络都设计成满足共轭匹配，可得本例在设计时采用微带结构，如图所示。输入端信源阻抗和输出端负载阻抗均为50Ω，则图中，因频率较低，三个匹配网络都采用并联分支线，并假设所有微带线特性阻抗均为50

。两级放大器匹配网络示意图（6）输入匹配网络的设计输入匹配网络的任务是使晶体管HEMT1输入端口的源反射系数为。图中A点是在导纳圆图上的对应点，经过相移线，并联短路分支线，即与实际信源阻抗50

匹配。

输入匹配网络设计圆图AB向源向负载开路点短路点-180度+180度的圆0度CO输出匹配网络设计圆图DE向源向负载开路点短路点-180度+180度的圆0度FO对向源或向负载方向旋转的说明：

当沿着反射系数

的方向前进时，对应于圆图上向负载方向旋转，即逆时针旋转。因为其相位超前。反之为向源方向旋转，即顺时针旋转。

·向电源向负载短路点-180度+180度的圆0度DC输出匹配网络设计圆图

输出匹配网络的任务是使晶体管HEMT2输出端口的负载反射系数为。图中C点是在导纳圆图上的对应点，经过相移线，并联短路分支线，即与实际负载阻抗50

匹配。这里取短路分支线的原因是为了使电长度小于。

（7）输出匹配网络的设计（8）级间匹配网络的设计

50W

～

GS¢

l2

l1

HEMT1

GSm

GLm

G*Lm

P¢

l7

l5

l6

GSm

GLm

l3

l4

GL¢

50W

P

HEMT2

先求出(E)，经过相移线，在参考面向左看去的归一化导纳值为：(G点)；而对应的A点经过相移线，向左看去的归一化导纳值(F点)为因此在应接入短路的并联分支线级间匹配网络设计圆图向电源向负载开路点短路点-180度+180度的圆0度（9）补充说明以上设计并未考虑偏置电路影响。可将上述设计结果连同偏置电路一起作为放大器电路的初始拓扑，借助计算机优化设计软件，优化各段微带线长度和特性阻抗，使放大器不仅在5.4GHz，而且在一定频带内满足增益要求。

说明：①输入、输出匹配网络采用

型匹配网络。②基极和集电极采用并联方式供电，也可用单电源加电位器同时给B、C极供电。③偏置电路采用了两级

/4高阻---低阻抗开路线引入，以减小对微波电路的影响，通常还要加旁路电容。④输出、输入采用微带隔直电容，以免前后级或负载相互因直流电位产生影响，这种影响往往会烧坏器件或者仪器设备。如工作频率很高，可用微带侧耦合带通滤波器隔直。

S波段低噪声放大器低噪声设计双共轭匹配时可获得最大功率传输，但同时对噪声传输也最大，因此实现（等于）的状态一定不对应Fmin。为获得最小噪声系数，应选择最佳信源反射系数。此时放大器输入匹配网络的任务在于使管子端口满足下式：

最佳噪声匹配这种以最小噪声系数出发来设计输入匹配网络的方法，称为“最佳噪声匹配”。此时对应的放大器资用功率增益称为“相关增益”。按最小噪声系数设计放大器时，其输出端通常按共轭匹配设计，即设计输出匹配网络使管子端口满足下式例3.3用Hewlett-PackardAT-41511管，设计一个工作在2GHz的单级低噪声放大器，基板H=0.8mm，。已知：该管在f=2GHz，=2.7V，时，忽略封装参数的影响，，，S参数为解：（1）计算稳定系数

其中，

由于K>1，且＞，＞，因此该晶体管在2GHz是绝对稳定的。

为获得最小噪声系数，应选择最佳信源反射系数。此时放大器输入匹配网络的任务是使晶体管输入端口满足。图中A点是在导纳圆图上的对应点，经过相移线，并联开路分支线，即与实际信源阻抗50Ω匹配。·向电源向负载开路点短路点-180度+180度的圆0度BA输入匹配网络设计圆图（2）按最小噪声系数设计输入匹配网络图中C点是在导纳圆图上的对应点，经过相移线，并联短路分支线，即与实际负载阻抗50Ω匹配。（3）匹配输出级输出端通常按共轭匹配设计，即设计输出匹配网络使管子满足下式：

输出匹配网络设计圆图向电源向负载开路点短路点-180度+180度的圆0度DC单向化设计

当S12≈0，单向化转换功率增益为

其中，GS和GL是与输入、输出匹配网络有关的增益分量，G0是晶体管的插入增益。当要求输入、输出端口都满足共轭匹配时有则最大单向转换功率增益为实际上晶体管仍是双向器件，得到的增益仍是GT

定义为单向优质比u（单向化优质因数）。

令

因此单向化设计时产生一定的误差，误差范围为

例3.2设计一个工作频率为5.7GHz，增益为18dB的MESFET放大器。已知MESFET在5.7GHz频率点的S参量为：，，，。（1）放大器是否为无条件稳定？（2）假设单向化条件成立（），求最佳反射系数条件下的最大功率增益。解（1）检验稳定性因为K>1，且，，所以该晶体管是绝对稳定的。（2）计算最佳反射系数条件下的最大功率增益（即，）：则最大单向化转换功率增益为；多级放大器晶体管选择两级晶体管放大器在网络无耗和良好匹配的前提下，线性工作条件时，两级放大器的总功率增益等于单级放大器增益和的乘积，如果以dB为单位，即

两级放大器总的噪声系数为如果输入端口在热噪声功率3dB以上的最小可探测功率为，则与最小可探测功率对应的输出功率为

例3.4多级放大器晶体管的选择。设计一个放大器，要求P-1=18dBm，功率增益不低于20dB。请根据表3.1中列出的某些晶体管在2GHz频率上的有关特性参数，确定放大器的级数并为每一放大器选择合适的晶体管。估算放大器的总噪声系数F。

表3.1晶体管特性参数晶体管型号F（dB）Gmax（dB）

（dBm）BFG5051.9104BFG5201.9917BFG5402.0721解由于放大器的输出功率必须达到18dBm，所以放大器的输出级只能采用BFG540晶体管。因为放大器的输出功率=18dBm远小于BFG540的1dB压缩功率，所以该晶体管可以工作在其最大增益状态Gmax=7dB。至少需要有3级。为使最后一级具有18dBm的输出功率，第二级晶体管必须能够提供=18dBm

7dBm=11dBm的功率输出，这使BFG505被淘汰出候选名单。由于BFG540的功率容量大大超出了第二级的需要，所以选用BFG520。晶体管型号F（dB）Gmax（dB）

（dBm）BFG5051.9104BFG5201.9917BFG5402.0721因为=11dBm远小于BFG520的1dB压缩功率，其最大增益状态将可达Gmax=9dB。由此可知，第一级晶体管必须具备的最小增益为G=13dB

9dB=4dB，最小输出功率Pout1=11dBm

9dBm=2dBm。显然，BFG505完全能够胜任Pout1=2dBm，G1=4dB的任务。而放大器的输入功率则为Pin=-2dBm。晶体管型号F（dB）Gmax（dB）

（dBm）BFG5051.9104BFG5201.9917BFG5402.0721根据放大器级联的噪声系数公式：显而易见第一级的增益越高则放大器级联系统的噪声系数越小。在此例中BFG505最多只能提供6dB的增益（在给定的Pin下），否则将进入饱和工作状态。如果采用BFG520作为第一级，则可以避开这个问题。这样我们可以使第一级提供最大的增益，第二级则提供足够的功率去驱动输出晶体管，还可以调整每一级的增益以使所有晶体管都不进入饱和状态。放大器最终设计的原理框图如图所示，其中各级放大器的增益是根据上述讨论结果选定的，这个放大器的噪声系数预计为三级放大器的结构框图微波宽带放大器平衡式放大器反馈式放大器有源匹配式放大器电阻电抗匹配式放大器分布式放大器平衡式放大器组成：由两个单级放大器与正交宽带耦合器组成的单级平衡放大器优点：输入、输出驻波好，噪声系数好，输出功率比单管放大器大3dB，动态范围加大1倍，三阶交调系数改善6dB。多用一只晶体管，总尺寸较大，且要求相位线性及交调特性，两个器件要挑选配对，在MMIC中使用较多。反馈式放大器组成：在FET漏极和栅极之间加入RL串联反馈电路。特点：改善放大器的输入、输出匹配，并且通过降低低频端的增益改善了平坦度，可实现多个倍频程的放大。用途：仅适用于低频放大器。

有源匹配式放大器特点：用FET代替微带线或电容和电感作匹配电路元件。组成：在放大器的输入端加入一共栅FET电路，图中MN是匹配网络，而在放大器的输出端则采用FET共漏极电路，以实现与50Ω匹配。用途：用于10GHz以上单片集成电路中。

电阻电抗匹配式放大器组成：电阻作为匹配网络的一部分，设计时使电阻仅在低频端吸收能量，而对高频端尽可能少影响放大器的增益。特点：电路稳定性好，但由于引入电阻性损耗会使放大器噪声系数变坏。

分布式放大器把微波管的集中参数电容和电阻（输入和输出）分别吸收到传输线中，作为传输线集中参数等效电路中的一部分。由多条传输线和多个微波管构成分布式有损传输线，其中输入线将各级FET的栅极相连，输出线将各管漏极相连。各级之间联线的相移和电阻值均不相同。只要传输线负载和传输线特性阻抗匹配，它就相当于无频率限制的有损均匀传输线，使微波以行波方式在传输线中传输。输入传输线和输出传输线相位一致，正向波相位相同而叠加输出，反相波相位不同部分抵消或被匹配负载吸收，就能使微波传播过程中由微波管逐次放大，从而构成理论上无频率限制的微波放大器。这种放大器的带宽可达几个倍频程。微波晶体管放大器CAD工具简介

CAD程序包特点：原理图捕捉支持工具层次设计电路元件库模拟控制优化版图存在多种不同类型的分析研究电路响应的模拟引擎常用的商业CAD软件AgilentEEsofEDASeriesⅣAgilentEEsofEDAADSAWR公司的MicrowaveOffice2000Cadence公司的AnalogArtistOptotek公司的MMICADAgilent公司的Genesys

目前主要用仿真软件来设计，用户只需要输入拓扑结构和初值（可任取）、器件参数、要求的特性等等，然后由软件优化。一般开始时用随机优化，然后用梯度优化，最后用人工判断设计结构的可实现性以及结果是否为最佳，有时需要人工进行调节

。

如果拓扑结构比较复杂，可能不易得到最佳结果，可以先分几个部分优化，最后合在一起优化。比如先把偏置电路、每级等单独优化。

如果对某些频率增益有特定要求，或者多个优化目标的侧重点不同（如噪声系数、反射系数），可用加权系数来加重。单级放大器多级放大器优化过程中的响应ADS软件中对放大器进行仿真§3.6微波晶体管功率放大器着重要考虑的是输出功率、效率、增益、交调产物和热效应。要求：失真小、效率高、输出功率大，其工作状态和设计方法与要求增益最高的情况并不一致。放大器工作在非线性区，在晶体管的输入端和输出端看到的阻抗将与输入功率电平有关，所以小信号近似通常将失效，此时必须求得晶体管的大信号S参量或阻抗以便得到合理的设计结果。

功率放大器的特性功率效率（也称为集电极效率或漏极效率）：晶体管的射频输出功率与电源消耗功率之比，它表示功放把直流功率转换成射频功率的能力，但不反映它的功率放大能力。功率附加效率：能同时反映功放的效率与增益，相同功率效率而增益高的管子有较高的功率附加效率

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，或者称为压缩。1dB(dBm)(dBm)动态范围用和之差表示了放大器的线性放大区，其中为对应于最小可检测输入信号的输出功率，其量值比输出噪声功率大XdB。在多数情况下，指标XdB取为3dB。交调失真交调失真对应于两个以上的频差不大的未调制信号输入到一个放大器所产生的相应输出，它是由于功放的非线性造成的。通常，输出端口有用与无用功率（单位dBm）之差被定义为以dB为单位的交调失真，即放大器交调失真示意图交调失真一般来说，若输入l个信号，其角频率分别是，，…，，由于功放的非线性作用，输出分量中将包含许多混合分量：

m，n，…，p=0，1，2…

则各分量分别称为（m+n+…+p）阶交调分量。（m+p）阶交调系数可以写成：定义三阶交调系数为式中，Pi和Pi+1是分别对应角频率为和的基波信号输出功率；P3是三阶交调频率处的三阶交调功率；M