微波與射頻技術學案課件

8.1.LinearAmplifierTheory

放大器是電子電路中最常用的基本電路，其目的和作用就是將小信號放大到一定功率電平的大信號，增益是大于1。f1，Pinf1，Pout要求：Pout>Pin放大器分類：LNA(LowNoiceAmplifier—G,NF等PA(PowerAmplifier)—P1dB,G，IP3等NA(NomarlAmplifier)—G,NF,Pout等微波放大器8.1.LinearAmplifierTheory放低噪聲放大器（LNA):低噪聲系數(shù)、高增益功率放大器(PA):高輸出功率、高效率

設計過程基于晶體管的S參數(shù)。晶體管可以是雙極晶體管、FET、HEMT或者是HBT。

最重要的畸變現(xiàn)象是：飽和、交調畸變、諧波畸變以及AM/PM變換等。微波放大器低噪聲放大器（LNA):低噪聲系數(shù)、高增益設計過程基于晶微波放大器微波放大器主要技術指標：1、工作頻率f0，工作帶寬（絕對帶寬，相對帶寬）2、輸入、輸出駐波系數(shù)3、功率增益，帶內增益波動4、噪聲系數(shù)5、輸出功率Pout,帶內功率波動6、直流到射頻效率ηdc和功率附加效率ηa7、P1dB8、ICP39、穩(wěn)定性、負載特性（抗失配特性）微波放大器微波放大器主要技術指標：3放大器電路結構形式：1、單管放大器微波放大器簡單，基礎；增益不高，輸出功率不大。放大器電路結構形式：微波放大器簡單，基礎；增益不高，輸出功率42、級聯(lián)放大器微波放大器源輸入匹配網(wǎng)絡輸出匹配網(wǎng)絡極間匹配網(wǎng)絡極間匹配網(wǎng)絡ZgFETFETZL最常用的放大器電路形式，技術指標一般。2、級聯(lián)放大器微波放大器源輸入匹配網(wǎng)絡輸出匹配網(wǎng)絡極間匹配網(wǎng)3、平衡式放大器微波放大器3dB90°電橋3dB90°電橋輸入Pin輸出Pout放大器1放大器2功率分配器功率合成器輸入Pin輸出Pout放大器1放大器2僅用于功率合成放大電路?？筛纳戚斎牒洼敵鲴v波系數(shù)，拓展帶寬，抑制某些組合頻率分量，也可用于功率合成放大電路。3、平衡式放大器微波放大器3dB90°3dB90°輸入Pin64、分布式放大器微波放大器放大器1放大器2放大器N輸入Pin輸出Poutl用于寬帶和超寬帶放大電路，可達十個甚至數(shù)十個倍頻程。4、分布式放大器微波放大器放大器1放大器2放大器N輸入Pin75、注入鎖定放大器微波放大器振蕩源1振蕩源2振蕩源n輸入Pin輸出Pout環(huán)形器環(huán)形器環(huán)形器P1P2Pn主要用于毫米波高端窄帶，是典型的二極管類功率放大器（Impatt和Guun），是一種缺乏高頻段三極管放大器的解決方案。要求：Pn>……>P2>P1。若不計損耗5、注入鎖定放大器微波放大器振蕩源1振蕩源2振蕩源n輸入Pi8微波低噪聲放大器已知晶體管器件小信號S參數(shù)，有微波低噪聲放大器已知晶體管器件小信號S參數(shù)，有1.實際功率增益

2.轉換功率增益

3.資用功率增益

微波低噪聲放大器2.轉換功率增益3.資用功率增益微波低噪聲放大器對于單向化晶體管，有＝0

8.1.2PowerGainForAUnilateralTransistor

晶體管輸入網(wǎng)絡輸出網(wǎng)絡[A]1,[A]2,[A]3…,[S],……,[A]m-2[A]m-1,[[A]m微波低噪聲放大器對于單向化晶體管，有＝08.1.2PowerGai將晶體管的[S]→[A]，有再將[A]t→[S]t，則S21=G在輸入端對噪聲源進行匹配：式中注意：最佳增益和最佳噪聲系數(shù)往往不一致，需折中考慮。微波低噪聲放大器將晶體管的[S]→[A]，有再將[A]t→[S]t，則S2112最大增益條件：微波低噪聲放大器最大增益條件：微波低噪聲放大器已知單向晶體管放大器S參數(shù)，設計最大增益放大器的步驟：Stability

MatchingNetwork微波低噪聲放大器已知單向晶體管放大器S參數(shù)，設計最大增益放大器的步驟：St

匹配網(wǎng)絡1.利用并聯(lián)導納或串聯(lián)阻抗的匹配網(wǎng)絡

微波低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡微波低噪聲放大器2.利用波長阻抗變換器的匹配網(wǎng)絡

微波低噪聲放大器2.利用波長阻抗變換器的匹配網(wǎng)絡微波低噪聲放大器3.利用串聯(lián)短線的匹配網(wǎng)絡

微波低噪聲放大器3.利用串聯(lián)短線的匹配網(wǎng)絡微波低噪聲放大器例1

使用LC匹配元件設計最大增益放大器，f=1GHz，，，

微波低噪聲放大器例1使用LC匹配元件設計最大增益放大器，f=1GHz，，

微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器輸出匹配網(wǎng)絡：

，

微波低噪聲放大器輸出匹配網(wǎng)絡：，微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器例2

在50系統(tǒng)中應用微帶并聯(lián)支路去設計f=4GHz的最大增益的放大器

微波低噪聲放大器例2在50系統(tǒng)中應用微帶并聯(lián)支路去設計f=4輸入匹配網(wǎng)絡：

微波低噪聲放大器輸入匹配網(wǎng)絡：輸出匹配網(wǎng)絡

微波低噪聲放大器輸出匹配網(wǎng)絡微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器8.1.3StabilityConsiderations

微波低噪聲放大器8.1.3StabilityConsiderations兩端口網(wǎng)絡輸入和輸出絕對穩(wěn)定的充要條件為

微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器穩(wěn)定圓（StabitityCircles）

從上式可以得到：微波低噪聲放大器穩(wěn)定圓（StabitityCircles）從上式可以得到1.InputStabiltiyCircle2.OutputStabilityCircle微波低噪聲放大器1.InputStabiltiyCircle2.O微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器例3判斷下列晶體管的穩(wěn)定性，畫出輸入、輸出穩(wěn)定圓

1.

2.

微波低噪聲放大器例3判斷下列晶體管的穩(wěn)定性，畫出輸入、輸出穩(wěn)定圓1.

1.微波低噪聲放大器

1.微波低噪聲放大器2.

微波低噪聲放大器2.微波低噪聲放大器8.1.4Constant-GainCirclesForTheUnilateralCase

微波低噪聲放大器8.1.4Constant-GainCirclesFotheconstant-gaincirclefortheinputnetwork

微波低噪聲放大器theconstant-gaincircleforttheconstant-gaincirclefortheoutputnetwork

微波低噪聲放大器theconstant-gaincirclefort有三種特殊情況：1.它代表一個點2.該圓穿過Smith圓圖的圓心3.（全反射）微波低噪聲放大器有三種特殊情況：1.它代表一個點2.該圓穿過Smith圓8.1.5Constant-Noise-FigureCircles

微波低噪聲放大器8.1.5Constant-Noise-FigureCi微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器

在設計中，可以將一組輸入恒定增益圓和恒噪聲系數(shù)圓繪制出來，這時就要兼顧噪聲系數(shù)和增益.特殊情況：微波低噪聲放大器在設計中，可以將一組輸入恒定增益圓和恒噪聲系8.1.6BandwidthConsiderationAndBroadbandAmplifiers

CompensatedMatchingNetworksBalancedStructuresNegativeFeedbackCircuits4.TheDistributedortraveling-waveDesign微波低噪聲放大器8.1.6BandwidthConsideration例5設計300M-600MHz的10dB的寬帶放大器微波低噪聲放大器例5設計300M-600MHz的10dB的寬帶放大器對于輸入匹配網(wǎng)絡，有：對于輸出匹配網(wǎng)絡，有：

補償匹配網(wǎng)絡的用途是獲得平坦的增益，缺點是電路輸入、輸出駐波過大.

微波低噪聲放大器對于輸入匹配網(wǎng)絡，有：對于輸出匹配網(wǎng)絡，有：平衡放大器增益較平坦，輸入駐波小代價是兩個耦合器和兩個放大器。微波低噪聲放大器平衡放大器微波低噪聲放大器

整個平衡放大器的增益等同于每一個單獨的放大器的增益，但輸入、輸出駐波較低。微波低噪聲放大器整個平衡放大器的增益等同于每一個單獨的放大器負反饋電路在寬帶放大器中的應用:微波低噪聲放大器負反饋電路在寬帶放大器中的應用:微波低噪聲放大器Where微波低噪聲放大器Where微波低噪聲放大器If

So

微波低噪聲放大器IfSo微波低噪聲放大器對于多倍頻帶寬，采用分布式或行波放大器

微波低噪聲放大器對于多倍頻帶寬，采用分布式或行波放大器微波低噪聲放大器8.1.7DCBiasTechniques

Ⅰ：lownoise,lowpowerⅡ：lownoise,highgainⅢ：highPout以上為A類工作狀態(tài)（classA）Ⅳ：高n，為AB類或B類（classABorB）微波低噪聲放大器8.1.7DCBiasTechniquesⅠ：l8.1.8 微波低噪聲放大器的設計過程

低噪聲放大器（LNA）的設計包括如下幾個方面：器件的選擇、電路形式的確定、匹配網(wǎng)絡的設計、偏置電路的設計。

1 設計目標 頻率范圍：10―10.5GHz

增益：G>30dB

噪聲系數(shù)：NF<2dB

微波低噪聲放大器8.1.8 微波低噪聲放大器的設計過程1 設計目標微波低2有源器件的選擇

前級選用的是FUJITSU公司的超低噪聲HEMT器件FHX13LG,它在X波段噪聲性能好，且它在這個波段的增益也比較大。在10GHz的最小噪聲只有0.4dB。最后的功放單片選用的是Agilent公司的型號為HMMC-5620高增益放大器，它在10―10.5GHz的增益約為16dB。

微波低噪聲放大器2有源器件的選擇微波低噪聲放大器3電路形式的確定

微波低噪聲放大器3電路形式的確定微波低噪聲放大器4晶體管穩(wěn)定性判斷及匹配網(wǎng)絡的設計

3.4.1

晶體管穩(wěn)定性判斷

K>1，且

3.4.2匹配網(wǎng)絡設計

微波低噪聲放大器4晶體管穩(wěn)定性判斷及匹配網(wǎng)絡的設計微波低噪聲放大器5偏置電路的設計、仿真與優(yōu)化

微波低噪聲放大器5偏置電路的設計、仿真與優(yōu)化微波低噪聲放大器偏置電路的輸入阻抗

微波低噪聲放大器偏置電路的輸入阻抗微波低噪聲放大器6 電路的仿真與優(yōu)化

微波低噪聲放大器6 電路的仿真與優(yōu)化微波低噪聲放大器S參數(shù)的仿真結果

噪聲系數(shù)的仿真結果

微波低噪聲放大器S參數(shù)的仿真結果噪聲系數(shù)的仿真結果微波低噪聲放大器7 微波低噪聲放大器的實現(xiàn)

微波低噪聲放大器7 微波低噪聲放大器的實現(xiàn)微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器8.2小信號FET放大器的非線性分析

微波低噪聲放大器8.2小信號FET放大器的非線性分析微波低噪聲放大器有四個非線性元件：Cgs（vg)不隨變化Cgd（vg,vd），弱非線性Id（vg,vd)gds(vd,f)強非線性微波低噪聲放大器有四個非線性元件：Cgs（vg)不隨變化弱非線性Id（vg,628.2.2FET放大器中的非線性現(xiàn)象

最主要的非線性現(xiàn)象:AM/PM交換諧波的產(chǎn)生交調飽和微波低噪聲放大器AM/PM變換、交調→用Volterra級數(shù)法進行分析。飽和特性、諧波→用諧波平衡法或Volterra級數(shù)法進行分析。8.2.2FET放大器中的非線性現(xiàn)象最主要的非線性現(xiàn)象:微波低噪聲放大器激勵信號輸出響應電流：微波低噪聲放大器激勵信號輸出響應電流：1.飽和和AM/PM變換

相對畸變D（ω）:總輸出電流與線性（一階）部 分之比。代表偏離線性工作狀態(tài)的分數(shù)偏差。微波低噪聲放大器1.飽和和AM/PM變換相對畸變D（ω）:總輸出電流與微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器2.諧波的產(chǎn)生二階諧波的輸出電流是三階諧波的輸出電流是微波低噪聲放大器2.諧波的產(chǎn)生二階諧波的輸出電流是三階諧波的輸出電流是

一個諧波也可能有一個高階頻率分量。例如，二階諧波可能包括一個四階分量，即第n階諧波的最低階分量的相對畸變是在線性工作狀態(tài)時有微波低噪聲放大器一個諧波也可能有一個高階頻率分量。例如，二3．交調畸變

微波低噪聲放大器輸出三階分量相對畸變3．交調畸變微波低噪聲放大器輸出三階分量相對畸變8.3優(yōu)化MESFET放大器的線性

研究把放大器設計成具有最佳線性的問題1.MESFET的直流偏置為什么會影響它的線性？直流偏置是如何影響MESFET的線性的?2.如何選擇源和負載阻抗才能把交調減到最小？3.如何設計具有指定增益或噪聲系數(shù)的放大器？如何在噪聲系數(shù)或增益的約束范圍內優(yōu)化放大器的線性？4.二階交調頻率的MESFET源和負載端接的影響是什么？5.MESFET的哪一種非線性對FET放大器交調性能影響最強烈？能否設計出把最重要的那些非線性減到最小的器件？微波低噪聲放大器8.3優(yōu)化MESFET放大器的線性研究把放大器設計成具有8.3.1建立MESFET模型

微波低噪聲放大器8.3.1建立MESFET模型微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器在頻率為10GHz時，S參數(shù)是：

穩(wěn)定性因子K=0.49，所以器件是有條件穩(wěn)定的微波低噪聲放大器在頻率為10GHz時，S參數(shù)是：8.3.2偏置對線性的影響

改善FET放大器線性的一個主要方法是增加其直流漏電流（但這會使放大器的噪聲系數(shù)變壞）.微波低噪聲放大器8.3.2偏置對線性的影響改善FET放大器8.3.3源和負載阻抗對線性的影響

優(yōu)化線性時，源和負載阻抗的選取一直是FET放大器設計中的一個關鍵問題，恰當?shù)剡x取這兩個阻抗，特別是對負載阻抗的選取，對微波和毫米波放大器的輸出遮斷點將產(chǎn)生極大的影響。微波低噪聲放大器8.3.3源和負載阻抗對線性的影響優(yōu)化線性微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器8.3.4增益、匹配和噪聲系數(shù)的約束對線性的影響

微波低噪聲放大器8.3.4增益、匹配和噪聲系數(shù)的約束對線性的影響微波低噪微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器8.3.5低階混合頻率的源和負載端接對線性的影響

微波低噪聲放大器8.3.5低階混合頻率的源和負載端接對線性的影響微波低噪8.3.6各個非線性元件對線性的影響微波低噪聲放大器8.3.6各個非線性元件對線性的影響微波低噪聲放大器8.3.7結論

在優(yōu)化放大器線性過程中，的選取是十分重要的?？刂品糯笃鹘徽{性能的特性的線性也是很重要的微波低噪聲放大器8.3.7結論在優(yōu)化放大器線性過程中，微波功率放大器工作方式：工作在飽和區(qū)，有甲類（A類）、乙類（B類）、 甲類（AB類）和丙類（C類）等工作狀態(tài)。設計要求：①高P1dB（或Pout）和IP3；②高ηdc；③高Gt分析方法： ①近似初始設計→僅計算小信號參量，準線性理論。 ②諧波平衡法→計算大小信號的非線性參量。設計任務：①選擇合適的FET類功率器件。 ②選擇恰當?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)：甲、乙、甲乙或丙類。 ③求解合適的源和負載阻抗，實現(xiàn)共軛匹配。 ④選擇偏置點，得到最佳的輸出功率和效率。 ⑤諧波平衡法驗證：輸出功率、飽和、諧波，并調整。微波功率放大器工作方式：工作在飽和區(qū)，有甲類（A類）、乙類（功率放大器器件選擇： 一般情況下，在射頻頻段和微波低端（3GHz以下）選用硅功率管，而在微波高端選用砷化鎵（以及磷化銦，氮化鎵等）功率器件。 為了得到大功率輸出，選用大柵寬器件。 以GaAsMESFET為例，輸出功率三個因素：1、漏—柵擊穿電壓 →柵長加大（輸入電容和跨導）→增益降低2、最大溝道電流 →增大柵寬→寄生參量增加，Rg和Cgs下降3、熱特性：由于GaAs熱傳導差，要求管芯→管殼→電路腔體的熱阻小，腔體可采用風冷和液冷散熱。散熱特性還會影響輸出功率、增益和效率微波功率放大器功率放大器器件選擇：微波功率放大器83非線性電路與系統(tǒng)（注意Vgg和Vdd的正負）夾短電壓Vt＝－1.0-0.8-0.6-0.4工作狀態(tài)選擇微波功率放大器非線性電路與系統(tǒng)（注意Vgg和Vdd的正負）夾短電壓Vt＝－84非線性電路與系統(tǒng)工作類型導通角效率％甲類（A類）

50甲乙類（AB類）<50～78乙類（B類）78丙類（C類）>78電路非線性特性越強微波功率放大器非線性電路與系統(tǒng)工作類型導通角效率％甲類（A類）85可見： 對于等幅連續(xù)波信號放大器，要求非線性失真小時，大多數(shù)采用甲類工作狀態(tài)，但效率較低；而脈沖功放，多采用乙類或丙類工作狀態(tài)，非線性產(chǎn)物較多，增益偏低，但效率提高。 為了得到高效率功放，還可采用D、E和F類工作狀態(tài)的功率放大器。 對于乙類工作狀態(tài)，導通為0~π，截止為π~2π，漏極輸出電流將產(chǎn)生高電平諧波分量，解決方法可采用推挽功放。 在無輸入信號時，甲類工作狀態(tài)有漏極電流，要消耗直流功率，而乙類或丙類則無漏極電流。微波功率放大器可見：微波功率放大器86功率放大器的設計包括：

1、準確的有源器件建模（大信號非線性等 效電路模型和參數(shù)）；

2、工作狀態(tài)；

3、有效的阻擾匹配；

4、工作的穩(wěn)定性并易于實現(xiàn)。功放的關鍵參數(shù)是它的線性度：包括P1dB，三階交截點，三階和高階互調失真等。改變器件的偏置條件可改善線性度或增加效率，同時它也決定了A、AB、B或C類工作狀態(tài)。微波功率放大器功率放大器的設計包括：功放的關鍵參數(shù)是它的線性度：87§9.1主要特性

工作功率增益2.資用功率增益3.轉換功率增益微波功率放大器§9.1主要特性工作功率增益2.資用功率增益3.88二、穩(wěn)定性

1.采用K>1的有源器件；2.如果K<1，則合理選擇源和負載的阻抗；3.破壞可引起寄生振蕩的等效電路；4.選擇與有源器件輸入輸出相鄰接的電路匹配元件以避免自振蕩條件成立。微波功率放大器二、穩(wěn)定性1.采用K>1的有源器件；微波功率放大器89微波功率放大器微波功率放大器90微波功率放大器微波功率放大器91§9.2線性度

i=f(v)微波功率放大器§9.2線性度i=f(v)微波功率放大器92微波功率放大器微波功率放大器931.器件偏置點的變化直接比例于轉移函數(shù)的二階導數(shù)（一般情況下是偶階導致）；2.如果三階導數(shù)（一般情況是奇數(shù)）等于零，則器件轉移函數(shù)是線性的；3.偶次諧波分量是轉移特性中偶次導數(shù)項作用的結果，而奇次諧波分量則是奇次導數(shù)項作用的結果；4.一階混合產(chǎn)物（和、差、產(chǎn)物）的產(chǎn)生是以偶階導數(shù)的存在為前提條件的；5.三階或更高階的產(chǎn)物主要由奇階所決定；6.失真，由轉移特性的二階導數(shù)（幅度的二次方）決定的失真稱為二階互調失真，由三階導數(shù)（幅度的三次方）決定的失真稱為三階互調失真。微波功率放大器1.器件偏置點的變化直接比例于轉移函數(shù)的二階導數(shù)（一般情94微波功率放大器微波功率放大器95IM3=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IM3=101g(P2w1-w2/P)=P2w1-w2-P96§9.3基本工作狀態(tài)

微波功率放大器§9.3基本工作狀態(tài)微波功率放大器97Vin=Vb+VincoswtV=Vcc-(i-Iq)RV=Vcc-Vcoswt微波功率放大器Vin=Vb+VincoswtV=Vcc-(i-Iq)R98微波功率放大器微波功率放大器99Po=IqVccP=0.5IVη=50%微波功率放大器Po=IqVccη=50%微波功率放大器100微波功率放大器微波功率放大器101i=o=Ia+Icosθi=I(coswt-cosθ)1.當θ＞90°時，那么cosθ＜0，Iq＞0,對應于AB類工作模式；2.當θ=90°時，那么cosθ=0，Iq=0，對應于B類工作模式；3.當θ＜90°時，那么cosθ＞0，Iq＜0，對應于C類工作模式。微波功率放大器i=o=Ia+Icosθi=I(coswt-cosθ)1102微波功率放大器微波功率放大器103§9.4實際的微波功放電路圖

微波功率放大器§9.4實際的微波功放電路圖微波功率放大器104PowerAmplifier§9.6MESFET功率放大器的設計

一、甲類放大器的近似設計

微波功放線性化技術PowerAmplifier§9.6MESFET功率放大105PowerAmplifierYL=GL-jwCds利用諧波平衡分析對電路進行檢查：（1）弄清楚所需求的輸出功率是否達到；（2）確定諧波輸出功率和飽和程度；（3）調整偏置電壓、負載及源阻抗以達到最優(yōu)性能。微波功放線性化技術PowerAmplifierYL=GL-jwCds利用諧106PowerAmplifier二、乙類放大器的近似設計

理想乙類放大器的負載阻抗與具有相同輸出功率的甲類放大器的相同.微波功率放大器PowerAmplifier二、乙類放大器的近似設計理想107三、設計舉例和性能研究

微波功率放大器三、設計舉例和性能研究微波功率放大器108微波功率放大器微波功率放大器109例１設計甲類功率放大器首先確定負載阻抗。由漏I/V特性及負載線可以得到Vmax＝14.7V，Vmin＝1.3V，Imax＝500mA，Imin＝40mA，Idd＝270mA。其負載阻抗是ZL＝9.3+j13.5微波功率放大器例１設計甲類功率放大器首先確定負載阻抗。由漏I/V特性及110首先必須求偏置點處的Cgs，從圖得到Vg＝-0.7V,則諧波平衡分析表明，在1dB壓縮點的功率為27.6dBm，功率附加效率為22%。飽和輸出功率（ηa為最大時的功率電平）是29.2dBm，在這個輸出電平上的增益為6.2dB，效率是28%。Zin=Z*s=2.3-j4.3微波功率放大器首先必須求偏置點處的Cgs，從圖得到Vg＝-0.7V,則111優(yōu)化設計包括依經(jīng)驗調整負載阻抗使輸出功率最大；調整柵偏壓使功率和功率最佳；在額定輸出時確定輸入阻抗，再把源阻抗調整到其共軛值。經(jīng)優(yōu)化所得到的幾個參數(shù)是：最佳負載ZL=9.0+j2.0Ω，在1dB壓縮點時源阻抗Z8=2.5+j4.5Ω，最佳柵偏壓Vg=-0.8V。

優(yōu)化后放大器的性能是：1dB壓縮點時的輸出功率為27.8dBm，飽和輸出功率為29.5dBm，飽和增益為6.4dB，功率附加效率為30%。相位的直流參數(shù)是：直流漏電流在飽和時為290mA，直流功率為2.3W。微波功率放大器優(yōu)化設計包括依經(jīng)驗調整負載阻抗使輸出功率最大；調整112例2設計乙類功率放大器。首先討論偏置電壓。設漏極偏置電壓Vdd仍為8V，為了使器件大約0.1Idss(即40mA)的靜態(tài)電流，把柵偏壓調整到Vgg=-2.0V。第二步，假設諧波源和負載阻抗是短路的，因此，只討論基波源和負載阻抗的選取問題。選用甲類放大器的負載阻抗作為乙類放大器的負載阻抗。Zs的初始估算值為Zs=Z*in=2.7+j7.6Ω。

第三步，由諧波平衡分析優(yōu)化設計。

微波功率放大器例2設計乙類功率放大器。首先討論偏置電壓。設漏極偏置113一般來說乙類放大器比甲類放大器有大的直流效率和低的增益。微波功率放大器一般來說乙類放大器比甲類放大器有大的直流效率和114四、諧波源和負載阻抗不為零時所產(chǎn)生的影響

上面兩個例子中，假設諧波源和負載阻抗均為零，實際上這是不可能的。乙類放大器對諧波端接更敏感。微波功率放大器四、諧波源和負載阻抗不為零時所產(chǎn)生的影響上面兩115由于基波和諧波頻率的源阻抗對放大器的輸出功率的影響非常小，諧波頻率源阻抗對增益沒有影響，所以可以不考慮輸入端的諧波端接。微波功率放大器由于基波和諧波頻率的源阻抗對放大器的輸出功率的116FET功放的諧波平衡分析+-Vdd-+Zs(nωp)Vs(t)VggZl（nωp）有三個非線性元件：Cgd,Cgs和Id微波功率放大器FET功放的諧波平衡分析+Vdd-Zs(nωp)Vs(t)V117-+Vs(t)Vgg+-VddCgs(Vg）Id(Vg,Vd)V1V3I1I2Zg(nωp)RgRiCdsZL(nωp)RdRsLs線性子網(wǎng)絡非線性子網(wǎng)絡Cgd(Vg）V2I3微波功率放大器-Vs(t)Vgg+VddCgs(Vg）Id(Vg,Vd)V118這里V1=vg-igRg,V2=vd-vg近似取V1=vg,V2=vd建立起諧波平衡方程，采用牛頓法求解。Jacobian矩陣：其中微波功率放大器這里V1=vg-igRg,V2=vd-vg建立起諧波平119Jacobian矩陣形式而元素Jm,n=Ym,n+Gm,n+jωCm,n 得到三個端口（非線性元件）的電壓波形，就可得到任何元件的電壓和電流波形，可求出輸出功率、增益和諧波分量等。微波功率放大器Jacobian矩陣形式而元素Jm,n=Ym,n+Gm,120微波功放線性化技術 在現(xiàn)代數(shù)字通信中，微波功放的線性化性顯得尤為重要。由于微波功放工作在飽和區(qū)，具有強非線性特性，使得輸出的信號具有很強的非線性產(chǎn)物，失真相當嚴重，包括三階交調、諧波、AM/PM變換和群時延失真等等。以三階交調為例，三階交調惡化1dB（三階交調遮斷點功率下降1dB），造成數(shù)字通信誤碼率增大80%。 可見，在所有非線性失真中，三階交調造成的誤碼率尤為嚴重和突出，并且其他非線性產(chǎn)物有一定的相關性，所以在同等輸出功率條件下，改善三階交調失真特性，即提高三階交調遮斷點功率成為微波功放線性化技術的核心和主要工作內容。 現(xiàn)代數(shù)字通信中，不僅關注發(fā)射機輸出功率大小，更關注三階交調失真和功放效率。微波功放線性化技術 在現(xiàn)代數(shù)字通信中，微波功放的線性化性顯得121微波功放線性化技術激勵輸入響應輸出輸出三階交調與Vs3成正比，線性輸出與Vs成正比。Vs很小時，,近似認為是線性的，即與Pout的特性幾乎一致；Vs較大時，P（ω1）被壓縮。微波功放線性化技術激勵輸入響應輸出輸出三階交調與Vs3成正比122在三階交調功率遮斷點，有Pout=P（2ω1-ω2），的IP3取R=50Ω微波功放線性化技術在三階交調功率遮斷點，有Pout=P（2ω1-ω2），的IP123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規(guī)律。而功放線性化技術的目的是：IP3-P1dB=C>10.63（dBm）微波功放線性化技術由P（ω1）=P（2ω1-ω2），有所以再由最后得普通放大器124功放線性化技術的幾種措施：1、功率倒（回）退法：

Pin減小1dB，三階交調改善3dB，而線性輸出功率僅減小1dB，即采用減小Pin來改善線性。簡單、方便，但代價高、成本大。2、負反饋法： PAB輸入輸出+=PAB輸出 物理概念清楚和電路簡單，但改善量有限和穩(wěn)定性差，且僅用于低頻段和窄帶情況。微波功放線性化技術功放線性化技術的幾種措施：1、功率倒（回）退法：PAB輸入輸1253、預失真NGPA輸入輸出分數(shù)字預失真和模擬預失真，結構相對簡單，成本低，能改善十多dBc，常用于小型移動通信終端。預失真器可在中頻實現(xiàn)。4、前饋法PANG+=輸入輸出NGPA輸出電路結構復雜，成本高，改善大，可達60dBc，常用于基站。微波功放線性化技術3、預失真NGPA輸入輸出分數(shù)字預失真和模擬預失真，結構相對126§9.5功率放大器線性化技術

一、前饋線性化技術

微波功放線性化技術§9.5功率放大器線性化技術一、前饋線性化技術微波功放127微波功放線性化技術微波功放線性化技術128微波功放線性化技術微波功放線性化技術129前饋線性化技術應用于1.885GHZ的功率放大器，輸出功率為37dBm，功率增益為37dB，平坦度為1dB，在30MHz工作頻帶內相位變化5°。使用MRF6404器件，在雙音測試信號測量下，功率放大器的三階互調分量僅為-24dBc。結果，第一個線性化環(huán)抵消性能為45dB，實行前饋功率放大器后，三階互調分量減小到-61dBc。

微波功放線性化技術前饋線性化技術應用于1.885GHZ的功率放大器130二、預失真線性化技術

微波功放線性化技術二、預失真線性化技術微波功放線性化技術131一個X波段多載波4.5W的功率放大器，線性化器的輸入為22dBm，線性化器12dBm輸出時的相位偏移達-10°。微波功放線性化技術一個X波段多載波4.5W的功率放大器，線性化132PowerAmplifier所要求的振幅和相位的特性是由于GaAsMESFET跨導gm，柵-源電容Cgs和漏電-源電導Gds的非線性來實現(xiàn)的。對于具有柵極寬度1.2mm，在Ls=20nH時，gm的非線性貢獻的是正的幅度偏移。同時，只要Ls≥3NH，gm和Gds的非線性貢獻是負的相位偏移。應用這種技術到1.9GHZ具有1dB壓縮功率為17dBm的MMIC功率放大器，當使用Ω/4相移正交相位鍵控信號（QPSK）時，可以實現(xiàn)改善ACPR達7dB。微波功放線性化技術PowerAmplifier所要求的振幅和相位的133PowerAmplifier只有使用具有零漏-源偏置電壓的源-地MESFET器件，才有可能實現(xiàn)正規(guī)的幅度和負的相位偏移微波功放線性化技術PowerAmplifier只有使用具有零漏134PowerAmplifier在1.9GHZ的MMIC功率放大器中，應用這種線性化器，對QPSK調制信號可實現(xiàn)ACPR改善高達5dB。微波功放線性化技術PowerAmplifier在1.9GH135PowerAmplifier微波功放線性化技術PowerAmplifier微波功放線性化技術136PowerAmplifier微波功放線性化技術PowerAmplifier微波功放線性化技術137高效率微波功放技術1.無線電系統(tǒng)對發(fā)射機效率提出了更高要求。2.提高效率的途徑：寬禁帶半導體器件、器件與電路工藝和高效率放大器電路。3.發(fā)射機的功耗主要在功率放大器，不同發(fā)射機功放功耗約占整機60%~90%。4.功放效率的提高對延長電池壽命，增加發(fā)射功率，散熱，減小體積重量起決定作用。高效率微波功放技術1.無線電系統(tǒng)對發(fā)射機效率提出了更高要求。138幾種重要半導體材料的基本參數(shù)高效率微波功放技術幾種重要半導體材料的基本參數(shù)高效率微波功放技術139主要類型EDAE類電路F類電路D類電路逆F類Doherty高效率微波功放技術核心在于使功率管工作在開關狀態(tài)主要類型EDAE類電路F類電路D類電路逆F類Doherty高140高效率微波功放技術高效率微波功放技術141D類放大器電路高效率微波功放技術D類放大器波形圖開關工作狀態(tài)，強激勵到一個晶體管全通，另一個全截止。全導通晶體管的管壓降Vceo很小，全截至晶體管的電流Ic極小，因此管耗很低。輸出端由諧振電路取出基波D類放大器的理想效率可以達到為100%D類放大器電路高效率微波功放技術D類放大器波形圖開關工作狀態(tài)142E類放大器工作狀態(tài) 獲得高效率原則：1.晶體管工作在開關狀態(tài)。2.VC，IC不同時出現(xiàn)（利用移向電路）。3.波形盡量接近正弦波 四種拓撲結構的E類功率放大器:具有并聯(lián)電容、具有并聯(lián)電感、串聯(lián)電容型和串聯(lián)電感。高效率微波功放技術E類放大器工作狀態(tài) 獲得高效率原則：高效143F類放大器工作狀態(tài) 在C類放大器中，輸出網(wǎng)絡諧振于輸入信號的基波和一個或者多個高次諧波上就是F類放大器，F(xiàn)類功率放大器利用電抗終端阻抗的特性改變開關電流和電壓的波形，從而提高了功率放大器的功率效率。高效率微波功放技術F類放大器工作狀態(tài) 在C類放大器中，輸144逆F類功率放大器高效率微波功放技術逆F類功率放大器高效率微波功放技術145Doherty技術保持線性度條件下，提高效率的方法:控制電路提高效率并結合數(shù)字預失真:Kahn包絡分離與恢復技術、極化調制、包絡跟蹤、簡單的電路結構:Doherty技術Doherty功率放大器原理圖Doherty功放有源負載牽引示意圖Doherty功放輸入與輸出關系圖高效率微波功放技術Doherty技術保持線146非對稱Doherty功率放大器（三路）高效率微波功放技術非對稱Doherty功率放大器（三路）高效率微波功放技術147小結A類放大器的線性度很好，但是效率卻是最低的。

B類放大器的效率通過減少功率管的導通時間得到了提高。D類功率放大器依靠兩個功率管相互交替導通實現(xiàn)電流電壓波形不會同時出現(xiàn)，從而理想最大效率可以到達100%。但是開關速度影響了D類放大器的效率。E類放大器解決了導通過程中的功率耗散問題，但是在實際中卻由于器件的非理想因素以及在導通和截止的過渡中產(chǎn)生了更多的功耗。F類功率放大器使用1/4波長傳輸線和具有高品質因數(shù)的諧振回路相串聯(lián)來實現(xiàn)。雖然實際的硬件實現(xiàn)理想諧波阻抗條件是不可能的，用若干個電流和電壓分量峰化，應該可以實現(xiàn)功率放大器的高效率工作。由高階諧波分量構成并提供的電壓波形愈平坦，由輸出電流引起的功率耗散越小。高效率微波功放技術小結A1488.1.LinearAmplifierTheory

放大器是電子電路中最常用的基本電路，其目的和作用就是將小信號放大到一定功率電平的大信號，增益是大于1。f1，Pinf1，Pout要求：Pout>Pin放大器分類：LNA(LowNoiceAmplifier—G,NF等PA(PowerAmplifier)—P1dB,G，IP3等NA(NomarlAmplifier)—G,NF,Pout等微波放大器8.1.LinearAmplifierTheory放低噪聲放大器（LNA):低噪聲系數(shù)、高增益功率放大器(PA):高輸出功率、高效率

設計過程基于晶體管的S參數(shù)。晶體管可以是雙極晶體管、FET、HEMT或者是HBT。

最重要的畸變現(xiàn)象是：飽和、交調畸變、諧波畸變以及AM/PM變換等。微波放大器低噪聲放大器（LNA):低噪聲系數(shù)、高增益設計過程基于晶微波放大器微波放大器主要技術指標：1、工作頻率f0，工作帶寬（絕對帶寬，相對帶寬）2、輸入、輸出駐波系數(shù)3、功率增益，帶內增益波動4、噪聲系數(shù)5、輸出功率Pout,帶內功率波動6、直流到射頻效率ηdc和功率附加效率ηa7、P1dB8、ICP39、穩(wěn)定性、負載特性（抗失配特性）微波放大器微波放大器主要技術指標：151放大器電路結構形式：1、單管放大器微波放大器簡單，基礎；增益不高，輸出功率不大。放大器電路結構形式：微波放大器簡單，基礎；增益不高，輸出功率1522、級聯(lián)放大器微波放大器源輸入匹配網(wǎng)絡輸出匹配網(wǎng)絡極間匹配網(wǎng)絡極間匹配網(wǎng)絡ZgFETFETZL最常用的放大器電路形式，技術指標一般。2、級聯(lián)放大器微波放大器源輸入匹配網(wǎng)絡輸出匹配網(wǎng)絡極間匹配網(wǎng)3、平衡式放大器微波放大器3dB90°電橋3dB90°電橋輸入Pin輸出Pout放大器1放大器2功率分配器功率合成器輸入Pin輸出Pout放大器1放大器2僅用于功率合成放大電路。可改善輸入和輸出駐波系數(shù)，拓展帶寬，抑制某些組合頻率分量，也可用于功率合成放大電路。3、平衡式放大器微波放大器3dB90°3dB90°輸入Pin1544、分布式放大器微波放大器放大器1放大器2放大器N輸入Pin輸出Poutl用于寬帶和超寬帶放大電路，可達十個甚至數(shù)十個倍頻程。4、分布式放大器微波放大器放大器1放大器2放大器N輸入Pin1555、注入鎖定放大器微波放大器振蕩源1振蕩源2振蕩源n輸入Pin輸出Pout環(huán)形器環(huán)形器環(huán)形器P1P2Pn主要用于毫米波高端窄帶，是典型的二極管類功率放大器（Impatt和Guun），是一種缺乏高頻段三極管放大器的解決方案。要求：Pn>……>P2>P1。若不計損耗5、注入鎖定放大器微波放大器振蕩源1振蕩源2振蕩源n輸入Pi156微波低噪聲放大器已知晶體管器件小信號S參數(shù)，有微波低噪聲放大器已知晶體管器件小信號S參數(shù)，有1.實際功率增益

2.轉換功率增益

3.資用功率增益

微波低噪聲放大器2.轉換功率增益3.資用功率增益微波低噪聲放大器對于單向化晶體管，有＝0

8.1.2PowerGainForAUnilateralTransistor

晶體管輸入網(wǎng)絡輸出網(wǎng)絡[A]1,[A]2,[A]3…,[S],……,[A]m-2[A]m-1,[[A]m微波低噪聲放大器對于單向化晶體管，有＝08.1.2PowerGai將晶體管的[S]→[A]，有再將[A]t→[S]t，則S21=G在輸入端對噪聲源進行匹配：式中注意：最佳增益和最佳噪聲系數(shù)往往不一致，需折中考慮。微波低噪聲放大器將晶體管的[S]→[A]，有再將[A]t→[S]t，則S21160最大增益條件：微波低噪聲放大器最大增益條件：微波低噪聲放大器已知單向晶體管放大器S參數(shù)，設計最大增益放大器的步驟：Stability

MatchingNetwork微波低噪聲放大器已知單向晶體管放大器S參數(shù)，設計最大增益放大器的步驟：St

匹配網(wǎng)絡1.利用并聯(lián)導納或串聯(lián)阻抗的匹配網(wǎng)絡

微波低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡微波低噪聲放大器2.利用波長阻抗變換器的匹配網(wǎng)絡

微波低噪聲放大器2.利用波長阻抗變換器的匹配網(wǎng)絡微波低噪聲放大器3.利用串聯(lián)短線的匹配網(wǎng)絡

微波低噪聲放大器3.利用串聯(lián)短線的匹配網(wǎng)絡微波低噪聲放大器例1

使用LC匹配元件設計最大增益放大器，f=1GHz，，，

微波低噪聲放大器例1使用LC匹配元件設計最大增益放大器，f=1GHz，，

微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器輸出匹配網(wǎng)絡：

，

微波低噪聲放大器輸出匹配網(wǎng)絡：，微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器例2

在50系統(tǒng)中應用微帶并聯(lián)支路去設計f=4GHz的最大增益的放大器

微波低噪聲放大器例2在50系統(tǒng)中應用微帶并聯(lián)支路去設計f=4輸入匹配網(wǎng)絡：

微波低噪聲放大器輸入匹配網(wǎng)絡：輸出匹配網(wǎng)絡

微波低噪聲放大器輸出匹配網(wǎng)絡微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器8.1.3StabilityConsiderations

微波低噪聲放大器8.1.3StabilityConsiderations兩端口網(wǎng)絡輸入和輸出絕對穩(wěn)定的充要條件為

微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器穩(wěn)定圓（StabitityCircles）

從上式可以得到：微波低噪聲放大器穩(wěn)定圓（StabitityCircles）從上式可以得到1.InputStabiltiyCircle2.OutputStabilityCircle微波低噪聲放大器1.InputStabiltiyCircle2.O微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器例3判斷下列晶體管的穩(wěn)定性，畫出輸入、輸出穩(wěn)定圓

1.

2.

微波低噪聲放大器例3判斷下列晶體管的穩(wěn)定性，畫出輸入、輸出穩(wěn)定圓1.

1.微波低噪聲放大器

1.微波低噪聲放大器2.

微波低噪聲放大器2.微波低噪聲放大器8.1.4Constant-GainCirclesForTheUnilateralCase

微波低噪聲放大器8.1.4Constant-GainCirclesFotheconstant-gaincirclefortheinputnetwork

微波低噪聲放大器theconstant-gaincircleforttheconstant-gaincirclefortheoutputnetwork

微波低噪聲放大器theconstant-gaincirclefort有三種特殊情況：1.它代表一個點2.該圓穿過Smith圓圖的圓心3.（全反射）微波低噪聲放大器有三種特殊情況：1.它代表一個點2.該圓穿過Smith圓8.1.5Constant-Noise-FigureCircles

微波低噪聲放大器8.1.5Constant-Noise-FigureCi微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器

在設計中，可以將一組輸入恒定增益圓和恒噪聲系數(shù)圓繪制出來，這時就要兼顧噪聲系數(shù)和增益.特殊情況：微波低噪聲放大器在設計中，可以將一組輸入恒定增益圓和恒噪聲系8.1.6BandwidthConsiderationAndBroadbandAmplifiers

CompensatedMatchingNetworksBalancedStructuresNegativeFeedbackCircuits4.TheDistributedortraveling-waveDesign微波低噪聲放大器8.1.6BandwidthConsideration例5設計300M-600MHz的10dB的寬帶放大器微波低噪聲放大器例5設計300M-600MHz的10dB的寬帶放大器對于輸入匹配網(wǎng)絡，有：對于輸出匹配網(wǎng)絡，有：

補償匹配網(wǎng)絡的用途是獲得平坦的增益，缺點是電路輸入、輸出駐波過大.

微波低噪聲放大器對于輸入匹配網(wǎng)絡，有：對于輸出匹配網(wǎng)絡，有：平衡放大器增益較平坦，輸入駐波小代價是兩個耦合器和兩個放大器。微波低噪聲放大器平衡放大器微波低噪聲放大器

整個平衡放大器的增益等同于每一個單獨的放大器的增益，但輸入、輸出駐波較低。微波低噪聲放大器整個平衡放大器的增益等同于每一個單獨的放大器負反饋電路在寬帶放大器中的應用:微波低噪聲放大器負反饋電路在寬帶放大器中的應用:微波低噪聲放大器Where微波低噪聲放大器Where微波低噪聲放大器If

So

微波低噪聲放大器IfSo微波低噪聲放大器對于多倍頻帶寬，采用分布式或行波放大器

微波低噪聲放大器對于多倍頻帶寬，采用分布式或行波放大器微波低噪聲放大器8.1.7DCBiasTechniques

Ⅰ：lownoise,lowpowerⅡ：lownoise,highgainⅢ：highPout以上為A類工作狀態(tài)（classA）Ⅳ：高n，為AB類或B類（classABorB）微波低噪聲放大器8.1.7DCBiasTechniquesⅠ：l8.1.8 微波低噪聲放大器的設計過程

低噪聲放大器（LNA）的設計包括如下幾個方面：器件的選擇、電路形式的確定、匹配網(wǎng)絡的設計、偏置電路的設計。

1 設計目標 頻率范圍：10―10.5GHz

增益：G>30dB

噪聲系數(shù)：NF<2dB

微波低噪聲放大器8.1.8 微波低噪聲放大器的設計過程1 設計目標微波低2有源器件的選擇

前級選用的是FUJITSU公司的超低噪聲HEMT器件FHX13LG,它在X波段噪聲性能好，且它在這個波段的增益也比較大。在10GHz的最小噪聲只有0.4dB。最后的功放單片選用的是Agilent公司的型號為HMMC-5620高增益放大器，它在10―10.5GHz的增益約為16dB。

微波低噪聲放大器2有源器件的選擇微波低噪聲放大器3電路形式的確定

微波低噪聲放大器3電路形式的確定微波低噪聲放大器4晶體管穩(wěn)定性判斷及匹配網(wǎng)絡的設計

3.4.1

晶體管穩(wěn)定性判斷

K>1，且

3.4.2匹配網(wǎng)絡設計

微波低噪聲放大器4晶體管穩(wěn)定性判斷及匹配網(wǎng)絡的設計微波低噪聲放大器5偏置電路的設計、仿真與優(yōu)化

微波低噪聲放大器5偏置電路的設計、仿真與優(yōu)化微波低噪聲放大器偏置電路的輸入阻抗

微波低噪聲放大器偏置電路的輸入阻抗微波低噪聲放大器6 電路的仿真與優(yōu)化

微波低噪聲放大器6 電路的仿真與優(yōu)化微波低噪聲放大器S參數(shù)的仿真結果

噪聲系數(shù)的仿真結果

微波低噪聲放大器S參數(shù)的仿真結果噪聲系數(shù)的仿真結果微波低噪聲放大器7 微波低噪聲放大器的實現(xiàn)

微波低噪聲放大器7 微波低噪聲放大器的實現(xiàn)微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器8.2小信號FET放大器的非線性分析

微波低噪聲放大器8.2小信號FET放大器的非線性分析微波低噪聲放大器有四個非線性元件：Cgs（vg)不隨變化Cgd（vg,vd），弱非線性Id（vg,vd)gds(vd,f)強非線性微波低噪聲放大器有四個非線性元件：Cgs（vg)不隨變化弱非線性Id（vg,2108.2.2FET放大器中的非線性現(xiàn)象

最主要的非線性現(xiàn)象:AM/PM交換諧波的產(chǎn)生交調飽和微波低噪聲放大器AM/PM變換、交調→用Volterra級數(shù)法進行分析。飽和特性、諧波→用諧波平衡法或Volterra級數(shù)法進行分析。8.2.2FET放大器中的非線性現(xiàn)象最主要的非線性現(xiàn)象:微波低噪聲放大器激勵信號輸出響應電流：微波低噪聲放大器激勵信號輸出響應電流：1.飽和和AM/PM變換

相對畸變D（ω）:總輸出電流與線性（一階）部 分之比。代表偏離線性工作狀態(tài)的分數(shù)偏差。微波低噪聲放大器1.飽和和AM/PM變換相對畸變D（ω）:總輸出電流與微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器2.諧波的產(chǎn)生二階諧波的輸出電流是三階諧波的輸出電流是微波低噪聲放大器2.諧波的產(chǎn)生二階諧波的輸出電流是三階諧波的輸出電流是

一個諧波也可能有一個高階頻率分量。例如，二階諧波可能包括一個四階分量，即第n階諧波的最低階分量的相對畸變是在線性工作狀態(tài)時有微波低噪聲放大器一個諧波也可能有一個高階頻率分量。例如，二3．交調畸變

微波低噪聲放大器輸出三階分量相對畸變3．交調畸變微波低噪聲放大器輸出三階分量相對畸變8.3優(yōu)化MESFET放大器的線性

研究把放大器設計成具有最佳線性的問題1.MESFET的直流偏置為什么會影響它的線性？直流偏置是如何影響MESFET的線性的?2.如何選擇源和負載阻抗才能把交調減到最??？3.如何設計具有指定增益或噪聲系數(shù)的放大器？如何在噪聲系數(shù)或增益的約束范圍內優(yōu)化放大器的線性？4.二階交調頻率的MESFET源和負載端接的影響是什么？5.MESFET的哪一種非線性對FET放大器交調性能影響最強烈？能否設計出把最重要的那些非線性減到最小的器件？微波低噪聲放大器8.3優(yōu)化MESFET放大器的線性研究把放大器設計成具有8.3.1建立MESFET模型

微波低噪聲放大器8.3.1建立MESFET模型微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器在頻率為10GHz時，S參數(shù)是：

穩(wěn)定性因子K=0.49，所以器件是有條件穩(wěn)定的微波低噪聲放大器在頻率為10GHz時，S參數(shù)是：8.3.2偏置對線性的影響

改善FET放大器線性的一個主要方法是增加其直流漏電流（但這會使放大器的噪聲系數(shù)變壞）.微波低噪聲放大器8.3.2偏置對線性的影響改善FET放大器8.3.3源和負載阻抗對線性的影響

優(yōu)化線性時，源和負載阻抗的選取一直是FET放大器設計中的一個關鍵問題，恰當?shù)剡x取這兩個阻抗，特別是對負載阻抗的選取，對微波和毫米波放大器的輸出遮斷點將產(chǎn)生極大的影響。微波低噪聲放大器8.3.3源和負載阻抗對線性的影響優(yōu)化線性微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器8.3.4增益、匹配和噪聲系數(shù)的約束對線性的影響

微波低噪聲放大器8.3.4增益、匹配和噪聲系數(shù)的約束對線性的影響微波低噪微波低噪聲放大器微波低噪聲放大器8.3.5低階混合頻率的源和負載端接對線性的影響

微波低噪聲放大器8.3.5低階混合頻率的源和負載端接對線性的影響微波低噪8.3.6各個非線性元件對線性的影響微波低噪聲放大器8.3.6各個非線性元件對線性的影響微波低噪聲放大器8.3.7結論

在優(yōu)化放大器線性過程中，的選取是十分重要的?？刂品糯笃鹘徽{性能的特性的線性也是很重要的微波低噪聲放大器8.3.7結論在優(yōu)化放大器線性過程中，微波功率放大器工作方式：工作在飽和區(qū)，有甲類（A類）、乙類（B類）、 甲類（AB類）和丙類（C類）等工作狀態(tài)。設計要求：①高P1dB（或Pout）和IP3；②高ηdc；③高Gt分析方法： ①近似初始設計→僅計算小信號參量，準線性理論。 ②諧波平衡法→計算大小信號的非線性參量。設計任務：①選擇合適的FET類功率器件。 ②選擇恰當?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)：甲、乙、甲乙或丙類。 ③求解合適的源和負載阻抗，實現(xiàn)共軛匹配。 ④選擇偏置點，得到最佳的輸出功率和效率。 ⑤諧波平衡法驗證：輸出功率、飽和、諧波，并調整。微波功率放大器工作方式：工作在飽和區(qū)，有甲類（A類）、乙類（功率放大器器件選擇： 一般情況下，在射頻頻段和微波低端（3GHz以下）選用硅功率管，而在微波高端選用砷化鎵（以及磷化銦，氮化鎵等）功率器件。 為了得到大功率輸出，選用大柵寬器件。 以GaAsMESFET為例，輸出功率三個因素：1、漏—柵擊穿電壓 →柵長加大（輸入電容和跨導）→增益降低2、最大溝道電流 →增大柵寬→寄生參量增加，Rg和Cgs下降3、熱特性：由于GaAs熱傳導差，要求管芯→管殼→電路腔體的熱阻小，腔體可采用風冷和液冷散熱。散熱特性還會影響輸出功率、增益和效率微波功率放大器功率放大器器件選擇：微波功率放大器231非線性電路與系統(tǒng)（注意Vgg和Vdd的正負）夾短電壓Vt＝－1.0-0.8-0.6-0.4工作狀態(tài)選擇微波功率放大器非線性電路與系統(tǒng)（注意Vgg和Vdd的正負）夾短電壓Vt＝－232非線性電路與系統(tǒng)工作類型導通角效率％甲類（A類）

50甲乙類（AB類）<50～78乙類（B類）78丙類（C類）>78電路非線性特性越強微波功率放大器非線性電路與系統(tǒng)工作類型導通角效率％甲類（A類）233可見： 對于等幅連續(xù)波信號放大器，要求非線性失真小時，大多數(shù)采用甲類工作狀態(tài)，但效率較低；而脈沖功放，多采用乙類或丙類工作狀態(tài)，非線性產(chǎn)物較多，增益偏低，但效率提高。 為了得到高效率功放，還可采用D、E和F類工作狀態(tài)的功率放大器。 對于乙類工作狀態(tài)，導通為0~π，截止為π~2π，漏極輸出電流將產(chǎn)生高電平諧波分量，解決方法可采用推挽功放。 在無輸入信號時，甲類工作狀態(tài)有漏極電流，要消耗直流功率，而乙類或丙類則無漏極電流。微波功率放大器可見：微波功率放大器234功率放大器的設計包括：

1、準確的有源器件建模（大信號非線性等 效電路模型和參數(shù)）；

2、工作狀態(tài)；

3、有效的阻擾匹配；

4、工作的穩(wěn)定性并易于實現(xiàn)。功放的關鍵參數(shù)是它的線性度：包括P1dB，三階交截點，三階和高階互調失真等。改變器件的偏置條件可改善線性度或增加效率，同時它也決定了A、AB、B或C類工作狀態(tài)。微波功率放大器功率放大器的設計包括：功放的關鍵參數(shù)是它的線性度：235§9.1主要特性

工作功率增益2.資用功率增益3.轉換功率增益微波功率放大器§9.1主要特性工作功率增益2.資用功率增益3.236二、穩(wěn)定性

1.采用K>1的有源器件；2.如果K<1，則合理選擇源和負載的阻抗；3.破壞可引起寄生振蕩的等效電路；4.選擇與有源器件輸入輸出相鄰接的電路匹配元件以避免自振蕩條件成立。微波功率放大器二、穩(wěn)定性1.采用K>1的有源器件；微波功率放大器237微波功率放大器微波功率放大器238微波功率放大器微波功率放大器239§9.2線性度

i=f(v)微波功率放大器§9.2線性度i=f(v)微波功率放大器240微波功率放大器微波功率放大器2411.器件偏置點的變化直接比例于轉移函數(shù)的二階導數(shù)（一般情況下是偶階導致）；2.如果三階導數(shù)（一般情況是奇數(shù)）等于零，則器件轉移函數(shù)是線性的；3.偶次諧波分量是轉移特性中偶次導數(shù)項作用的結果，而奇次諧波分量則是奇次導數(shù)項作用的結果；4.一階混合產(chǎn)物（和、差、產(chǎn)物）的產(chǎn)生是以偶階導數(shù)的存在為前提條件的；5.三階或更高階的產(chǎn)物主要由奇階所決定；6.失真，由轉移特性的二階導數(shù)（幅度的二次方）決定的失真稱為二階互調失真，由三階導數(shù)（幅度的三次方）決定的失真稱為三階互調失真。微波功率放大器1.器件偏置點的變化直接比例于轉移函數(shù)的二階導數(shù)（一般情242微波功率放大器微波功率放大器243IM3=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IM3=101g(P2w1-w2/P)=P2w1-w2-P244§9.3基本工作狀態(tài)

微波功率放大器§9.3基本工作狀態(tài)微波功率放大器245Vin=Vb+VincoswtV=Vcc-(i-Iq)RV=Vcc-Vcoswt微波功率放大器Vin=Vb+VincoswtV=Vcc-(i-Iq)R246微波功率放大器微波功率放大器247Po=IqVccP=0.5IVη=50%微波功率放大器Po=IqVccη=50%微波功率放大器248微波功率放大器微波功率放大器249i=o=Ia+Icosθi=I(coswt-cosθ)1.當θ＞90°時，那么cosθ＜0，Iq＞0,對應于AB類工作模式；2.當θ=90°時，那么cosθ=0，Iq=0，對應于B類工作模式；3.當θ＜90°時，那么cosθ＞0，Iq＜0，對應于C類工作模式。微波功率放大器i=o=Ia+Icosθi=I(coswt-cosθ)1250微波功率放大器微波功率放大器251§9.4實際的微波功放電路圖

微波功率放大器§9.4實際的微波功放電路圖微波功率放大器252PowerAmplifier§9.6MESFET功率放大器的設計

一、甲類放大器的近似設計

微波功放線性化技術PowerAmplifier§9.6MESFET功率放大253PowerAmplifierYL=GL-jwCds利用諧波平衡分析對電路進行檢查：（1）弄清楚所需求的輸出功率是否達到；（2）確定諧波輸出功率和飽和程度；（3）調整偏置電壓、負載及源阻抗以達到最優(yōu)性能。微波功放線性化技術PowerAmplifierYL=GL-jwCds利用諧254PowerAmplifier二、乙類放大器的近似設計

理想乙類放大器的負載阻抗與具有相同輸出功率的