雷达射频微波器件及电路 课件 第5章 微波固态放大器

第5章微波固态放大器5.1概述5.2低噪声放大器5.3功率放大器小结

5.1

概

述

微波放大器还可按放大的信号带宽的不同分为窄带放大器和宽带放大器；

按半导体放大管的结构不同又可以分为双极晶体管放大器、场效应管放大器和高电子迁移率放大器等。微波放大器不同的分类是从不同角度看待同一器件，如称一个放大器为宽带、大功率、场效应管放大器，就是说该放大器为大功率放大器，是一个宽带信号放大器，是利用场效应管(FET)构建的。

5.1.1

微波双极晶体管

微波双极晶体管通常都是平面结构，和低频晶体管相比，其封装形式和内部结构区别很大。图

5-1

给出了微波双极晶体管的典型封装形式。其中同轴封装形式适用于同轴电路，多用于功率放大器和振荡器。平面封装形式多用于微带平面电路。平面封装的微波双极晶体管有四个极，一个基极(B)，一个集电极(C)，两个发射极(E)，实际封装外观如图5-2所示，标有点的位置1是基极(B)，与之相对的

3

是集电极(C)，另两个宽度较宽的

2、4

为发射极(E)。微波双极晶体管电路符号如图

5-3

所示。

图

5-1

微波双极晶体管的典型封装形式

图

5-2

平面封装的微波双极晶体管

图

5-3

微波双极晶体管的电路符号

为了工作于微波频段，微波双极晶体管内部结构多采用交指型管芯结构，如图

5-4

所示。这种结构可以有效减小结电容，提高工作频率。低噪声管交指数目通常只有

3

～

5-条，而功率管交指数目可达10～20条。图

5-4

交指型管芯结构示意图

微波双极晶体管的噪声主要有热噪声和散弹噪声两类。热噪声主要是由管子内部电阻的热损耗引起。散弹噪声主要由电流分配的随机性决定，在低频区表现为闪烁噪声，在高频区表现为分流噪声。微波双极晶体管的噪声特性如图

5-5-所示，图中纵坐标为噪声系数F，横坐标为频率

f，fc1和

fc2分别为闪烁噪声区和分流噪声区的上下边界。由图

5-5-可见，在中间频率的热噪声区噪声系数最小。

图

5-5

微波双极晶体管的噪声特性示意图

5.1.2

微波场效应晶体管

微波场效应晶体管(FET)是通过电场来控制半导体中电子流动而实现放大和通断功能的，它属于电子半导体器件。微波频段的场效应晶体管主要有

PN

结场效应晶体管(JFET)、金属

氧化物

半导体场效应晶体管(MOsFET)、金属

半导体场效应晶体管(MEsFET)和高电子迁移率场效应晶体管(HEMTFET)。其中高电子迁移率场效应晶体管性能最好，广泛应用于雷达、通信、遥感、宇航通信、医学等领域中。用于制造微波场效应晶体管的半导体材料主要有硅(si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等，其中砷化镓性能最好。

微波场效应晶体管的结构如图

5-6

所示。微波场效应晶体管和微波双极晶体管一样也有四个极，一个漏极(D)相当于微波双极晶体管的集电极(C)，一个栅极(G)相当于微波双极晶体管的基极(B)，两个源极(s)相当于微波双极晶体管的发射极(E)。已封装的微波场效应晶体管外观如图

5-7

所示，有切角的为栅极(G)，与之相对的是漏极(D)，另两个较宽的为源极(s)。微波场效应晶体管的电路符号如图

5-8

所示。

图

5-6

微波场效应晶体管结构示意图

图

5-7

已封装的微波场效应晶体管

图

5-8

微波场效应晶体管的电路符号

微波场效应晶体管的工作原理如图

5-9

所示。当源极(s)和漏极(D)之间没有外加电压即

sDs=

0且栅极(G)上也没有外加电压时，整个器件处于平衡状态，所形成的沟道均匀，如图

5-9(a)所示。

图

5-9

当

sDs>0且值较小时，有电流

ＩD

流过沟道，可以将沟道视为一个电阻，电流

ＩD

和电压sDs成线性关系，如图

5-9(b)所示。

当

sDs逐渐增大，电流

ＩD

也会增大，这时沟道中压降随之增大，使沟道两端电压不同，以致靠近漏端沟道变窄，如图

5-9(c)所示。

当

sDs增大至某一值时，靠近漏端的沟道夹断，这时对应的电压称为夹断电压，同时流到漏端的电流变为

0，如图

5-9(d)所示。

若

sDs进一步增大，就会使沟道内夹断长度ΔL

增大，使沟道夹断更彻底，如图

5-9(e)所示。

当栅极电压不为

0时，也有类似的情况。栅极电压的改变可以整体改变沟道的宽度。控制栅极电压可以有效减小或增大沟道宽度，从而达到放大电流ＩD(信号)的目的。

5.2

低噪声放大器

雷达接收机中普遍采用低噪声放大器(来放大接收到的微弱的回波信号，如图

5-10所示。低噪声放大器位于接收机前端，这要求它的噪声越小越好；为了抑制后面各级噪声的影响，还要求它有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，增益不能过高。此外，因为接收机接收的信号通常很微弱，所以低噪声放大器必须是一个小信号线性放大器。

图

5-10雷达接收机示意图

5.2.1

低噪声放大器的主要指标

1.

噪声系数与噪声温度

微波放大器接入电路如图

5-11

所示，图中

Zs为信号源内阻，ss为信号电压，sn为噪声电压。

图

5-11

微波放大器接入电路示意图

噪声系数为放大器的输入信号信噪比与输出信号信噪比的比值，用字母

F

表示，其定义为

噪声系数的分贝表示为

NF

，其计算式如下：

由式(5-1)可看出，噪声系数是指信号通过放大器后，由于放大器产生噪声，使信噪比变差，因此导致信噪比下降的倍数。

当放大器的噪声系数很小时，为了表示方便，采用等效噪声温度

Te来表示噪声系数，它与噪声系数的关系如下：

式中，T0为环境温度，其值为

293

K。理想无噪声放大器的噪声温度为零。

噪声系数与等效噪声温度的对比如表

5-1

所示。

2.

功率增益、相关增益与增益平坦度

(1)

功率增益。

功率增益表示在接入放大器后和接入放大器前负载上测得的功率比。设信号源内阻和负载阻抗都是

50Ω标准阻抗，采用插入法实测增益。设信号源输出功率为

P1

，将放大器接到信号源上，用功率计测放大器的输出功率为

P2

，则功率增益

G

定义为

(2)

相关增益。

相关增益是指设计低噪声放大器时，其噪声最佳匹配情况下的增益通常比最大增益小2～4

dB。

(3)

增益平坦度。

增益平坦度是指低噪声放大器在工作频带Δf

内功率增益的起伏，常用工作频带Δf

内的最大增益与最小增益之差ΔG(dB)表示，例如Δf

内，ΔG(dB)≤2

dB。

对于多路通信而言，每个信道频率只占数十兆赫兹。常用增益斜率来表示放大器增益，单位为

dB

/MHz，例如ΔG

=

(0.05～0.1)dB

／10MHz。

放大器的增益和噪声系数会随频率的变化而变化，某微波场效应管放大器增益及噪声系数的频响曲线如图

5-12

所示。增益以每倍频程

6

dB

的规律随频率升高而下降，噪声系数随频率上升而增大。

图

5-12

某微波场效应管放大器增益及噪声系数频响曲线

3.

工作频带

工作频带是指低噪声放大器功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且频带内噪声系数也要满足要求。

4.

动态范围

动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小功率和最大功率之间的范围。动态范围下限

Pmin受低噪声放大器的噪声性能限制，计算式如下：

式中：Nin为放大器输入端的噪声功率；

ｋ

为玻尔兹曼常数，其值为1.3806505×10－23J/K，T0

为环境温度，其值取

293

K；Δfm为信号频带宽度；M为系统允许的最小信噪比。动态范围上限受低噪声放大器的非线性限制，如低噪声放大器输出功率呈现1dB

压缩点时的输入功率，基本上取决于放大器末级的功率容量。

5.1dB

压缩点线性输出功率

如图

5-13

所示，当低噪声放大器增益下降到比线性增益小1dB

时，所对应的输出功率定义为1dB

压缩点输出功率

Pout，1dB，这时所对应的输入功率称为1dB

压缩点输入功率

Pin，1dB。

图

5-13

低噪声放大器的1dB

压缩点

6.

端口驻波比

端口驻波比通常是指低噪声放大器输入端口的驻波比。为了保证放大器的噪声最低，输入端往往采用最佳噪声匹配，因此驻波不好。另外，由于低噪声放大器频率低端增益高，

频率高端增益低，为了获得工作频带内相对平坦的增益，端口驻波比常常随频率降低而升高，一般为1.5～3。为了改善端口驻波比，通常加隔离器使驻波比达到1.2

左右。但加隔离器使低噪声放大器的噪声系数略有增大。

7.

三阶交调系数

放大器由有源器件构成，具有较强的非线性，会产生很多新的频率分量信号。若这些新的频率分量信号落入信号的频带内，就会对原信号形成干扰。对于窄带信号而言，当相邻信道的两个不同信号同时进入放大器后，就会产生如

mf1±nf2

的众多新的频率信号，称为交调信号，其中

m+n

称为交调信号的阶数。随着交调信号阶数的升高，交调信号会迅速减小。其中三阶交调信号由于和原信号频率相近，因此会落入信号频带内形成较强干扰。三阶交调信号是干扰最强的交调信号。

如图

5-14

所示，设

P3为三阶交调分量

2f1－f2

和

2f2－f1的功率，P1是频率为

f1

的信号功率，同时设频率为

f1

的信号功率大于频率为

f2

的信号功率，则三阶交调系数定义为

图

5-14

放大器三阶交调失真示意图

5.2.2

低噪声放大器的结构及原理

低噪声固态放大器采用微波晶体管作为主要部件，其电路结构如图

5-15

所示，共有四个基本组成部分，包括微波晶体管(放大管)、输入匹配网络(电路)、输出匹配网络(电路)、直流偏置电路。输入匹配网络和输出匹配网络的设计要使放大器的噪声系数和增益满足要求。直流偏置电路提供晶体管合适的工作点及供给直流能量，最终转换成微波功率输出。

图

5-15

微波晶体管放大器电路结构

一般晶体管放大器采用共发射极电路，场效应管

FET

采用共源极电路。晶体管共发射极放大器原理电路如图

5-16

所示。

图

5-16

晶体管共发射极放大器原理电路

图

5-16

中，直流偏置电路给微波放大管提供直流偏置，使微波放大管工作在合适的工作点，即合适的基极电压、集电极电压和发射极电流，对于场效应管而言是合适的栅极电压、漏极电压和源极电流。选取微波放大管的工作点的目的：一是要获得较高的放大倍数；

二是要使信号放大时，放大器本身产生的噪声小。放大器的偏置电路与射频电路之间的正确连接很重要，应尽量减小相互间的影响，同时尽量保证由信号源端向负载端传输的射频/微波信号不泄漏，即直流通路与射频/微波信号的通路应完全隔离，以消除交流信号与直流源及地之间的耦合。

为此，常采取以下几种方法：

(1)

在直流源与射频/微波电路之间连接一个电感，即通常所说的射频扼流圈(RFC)。使用“铁氧体”小环便可实现一个简单的射频扼流圈。

(2)

在直流源与射频/微波电路之间连接一个四分之一波长的阻抗变换器。其变换段的特性阻抗

Z′0应很高(即Z′0≫Z0)，使其对射频/微波信号产生一个很高的阻抗。

(3)

将一个大电容(作为负载)接于四分之一波长变换器的终端，以有效地短路可能泄漏到直流电路中的射频/微波信号。接于四分之一波长变换器终端的大电容作为负载在微波频率下呈现短路，在其输入端相当于开路，从而隔断了直流与射频/微波电路之间的通路。

图

5-15

中，输入匹配网络、输出匹配网络均采用单支节匹配器。图

5-16(a)中，采用非平衡并联开路支节结构，为获得更好的输入电压驻波比，可以使用如图

5-16(b)所示平衡或对称并联开路支节结构，这种结构可减小串、并联传输线之间的相互影响。为了实现直流通路和射频通路的隔离，图

5-16

中采用了扼流圈和旁路电容(C2

)的方式。图

5-16中，为了将直流偏置信号仅限定在该放大器内部，在放大器的输入、输出端均接有隔直电容(C1

、C3

)。

5.3

功

率

放

大

器

5.3.1

功率放大器的主要指标功率放大器主要关注功率，它除有低噪声放大器的端口驻波比、功率增益、功率平坦度、动态范围、工作带宽、1dB

压缩点线性输出功率等指标外，还有功率放大器特有的技术指标，如输出功率、效率、谐波失真等。

1.

输出功率

功率放大器一般工作于饱和状态，输出的是最大功率。功率放大器所能输出的最大饱和功率称为功率放大器的输出功率。

2.

效率

功率放大器输出的功率包含两个方面：一是信号的输入功率；

二是从直流电源输入转化而来的射频/微波功率，这是主要部分。在从直流电源输入转化成射频/微波功率的过程中，还有一部分功率转化为热能消耗掉了。消耗功率的电路包括微波放大管、匹配电路、直流偏置电路等。

功率放大器的效率定义如下：

式中，Pout代表功率放大器的输出功率，P1代表功率放大器的输入功率，PDC代表功率放大器的直流偏置提供的功率。

3.

谐波失真

谐波失真又称交调失真，对于小信号低噪声放大器注重的是三阶交调失真的影响，对于功率放大器就要关注各次谐波信号和各阶交调信号的影响。

假设两频率相近信号输入功率放大器中，其频率分别为

f1和

f2

，则功率放大器输出的信号中必然包括如下频率分量：

这些谐波信号和交调信号的频率分量称为谐波失真或交调失真，相应各阶谐波或交调失真的系数Mn定义为各谐波信号或交调信号频率分量和最强基波信号分量的功率之比，即

式中，Pn为

n

阶谐波或交调信号频率分量的功率，P1为最强基波分量的功率。

可见各阶谐波和交调信号频率分量的功率越大，一方面，功率放大器输出的功率中，有用的基波频率分量的功率占比就会越小，造成功率放大器的功率增益下降；

另一方面，会造成放大信号的严重失真。

选用功率管来设计制作功率放大器时，应基于管子动态输入和输出阻抗设计相应的输入匹配电路和输出匹配电路。

5.3.2

功率合成的基本概念

在众多射频/微波系统中，微波晶体管功率放大器已逐步取代中等功率的行波管等电真空放大器，但若需要更大的功率则要采用功率合成技术。所谓功率合成技术就是将多个单管输出的功率，经过一定的电路处理后叠加起来，最后得到比单管输出功率大得多的功率，从而满足射频/微波系统的功率要求。通常利用功率混合电路将多路放大器并联来完成功率合成。

图

5-17

为利用多路功率