微波晶体管放大器

前言................................................................................................................................ 2 1. 场效应管和双极性晶体管模型............................................................................. 4 2．微波晶体管放大器三种增益.................................................................................. 6 3．微波晶体管放大器稳定性的判断.......................................................................... 9 4. 小信号放大器微波晶体管放大器的设计............................................................. 14 1.双共扼匹配设计方法 ........................................................................................... 18 2.功率增益和资用功率增益圆 ............................................................................... 20 3.噪声系数圆 ........................................................................................................... 25 4.等驻波比圆 ........................................................................................................... 27 5. 宽带放大器设计..................................................................................................... 30 1.频率补偿匹配网络 .............................................................................................. 30 2.平衡放大器 .......................................................................................................... 33 3.负反馈电路 .......................................................................................................... 35 6.功率放大器............................................................................................................... 37 1.大功率放大器的几个重要的参数 ....................................................................... 37 2.微波晶体管功率放大器的设计 ........................................................................... 40 1.用管子大信号设计功率放大器 ........................................................................... 41 2.大信号S参数设计功率放大器 ........................................................................... 41 3.多级放大器 ........................................................................................................... 43 4.功率合成法 ........................................................................................................... 46

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（s11在频率较低时其模接近于1），低噪声系数的优势不明显，因此多采用双极型晶体管。场效应管主要用于5—10GHz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