微波功率放大器課件

1§1.8微波功率放大器1.功率單位微波功率放大器一般指P>1W。目前，商品可到百瓦(厘米波段)單位：dBm，以1毫瓦(mW)為基準(zhǔn)計(jì)量的倍數(shù)?！?.8.1基本指標(biāo)2.電源效率例如：1mW=0dBm1W=1000mW=30dBm10W=40dBm反映了把直流功率轉(zhuǎn)換成射頻功率的能力，但不能反映功率放大能力。1§1.8微波功率放大器1.功率單位§1.8.1基本指23.功率附加效率(Poweraddedefficiency)既反映功率轉(zhuǎn)換能力又反映功率放大能力。4.1dB壓縮點(diǎn)(1dBGainCompressedPoint)輸出功率

P1dBG1dB--增益下降1dB點(diǎn)P1dB--G1dB對(duì)應(yīng)的輸出功率Pin<1dB>--P1dB對(duì)應(yīng)的輸入功率23.功率附加效率(Poweraddedefficie3輸入功率較小時(shí)，增益為常數(shù)，稱為小信號(hào)線性增益G0；輸入功率繼續(xù)增大，功放輸出功率出現(xiàn)非線性，輸出功率與輸入功率的比值即增益減??；當(dāng)功放增益比小信號(hào)線性增益G0下降1dB時(shí)，稱為“1dB壓縮點(diǎn)增益”G1dB，對(duì)應(yīng)的輸出、輸入功率稱為“1dB壓縮點(diǎn)輸出功率”P1dB及“1dB壓縮點(diǎn)輸入功率”Pin<1dB>

。有關(guān)定義：在P1dB點(diǎn)有：10lgP1dB=10lg(G0·Pin<1dB>)-1dB即

P1dB=Pin<1dB>+G0dB-1dBm

或G1dB=G0dB-1dB3輸入功率較小時(shí)，增益為常數(shù)，稱為小信號(hào)線性增益G0；有關(guān)定45.三階交調(diào)(Intermodulation)系數(shù)

放大特性出現(xiàn)非線性時(shí)，多個(gè)微波信號(hào)之間將出現(xiàn)交叉調(diào)制諧波。

三階交調(diào)分量(|m|+|n|=3時(shí))：最靠近有用信號(hào)的雜波分量，將造成話路串?dāng)_、誤碼率增加。45.三階交調(diào)(Intermodulation)系數(shù)放大5輸入信號(hào)：輸出信號(hào)：

三階交調(diào)系數(shù)放大器輸入、輸出曲線輸入輸出電壓擬合：衡量放大器非線性失真的程度(k0，k1，，為實(shí)常數(shù)，V<1)5輸入信號(hào)：輸出信號(hào)：三階交調(diào)系數(shù)放大器輸入、輸出曲線輸入6小信號(hào)功率增益：*k1為小信號(hào)電壓增益；k3為負(fù)，代表壓縮特性。非線性基波功率增益：非線性基波電壓增益：6小信號(hào)功率增益：*k1為小信號(hào)電壓增益；k3為負(fù)，代71dB壓縮點(diǎn)三階交調(diào)系數(shù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值略小，通常取

M31dB

-23dB輸入：輸出基波：(使總功率保持不變)三階交調(diào)分量：71dB壓縮點(diǎn)三階交調(diào)系數(shù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值略小，通常取輸入：輸出86.三階交調(diào)截止點(diǎn)A很小時(shí)的基波：三階交調(diào)分量：基波輸出功率：三階交調(diào)輸出功率：結(jié)論：當(dāng)Pin減小1dB時(shí)，Pout減小1dB，P3減小3dB即：輸入功率每減小1dB，三階交調(diào)系數(shù)改善2dB。86.三階交調(diào)截止點(diǎn)A很小時(shí)的基波：三階交調(diào)分量：基波輸出9

任意輸入功率時(shí)的三階交調(diào)系數(shù)由于小信號(hào)工作時(shí)

為獲得高指標(biāo)線性度常用功率倒退法：輸入功率倒退1dB，M3改善2dB。9任意輸入功率時(shí)的三階交調(diào)系數(shù)由于小信號(hào)工作時(shí)為獲得高指10這個(gè)規(guī)律雖不嚴(yán)格但非常準(zhǔn)確。倒退值：

三階交調(diào)截止點(diǎn)需要輸入功率：10這個(gè)規(guī)律雖不嚴(yán)格但非常準(zhǔn)確。倒退值：三階交調(diào)截止點(diǎn)需要117.調(diào)幅、調(diào)相轉(zhuǎn)換系數(shù)

輸入幅度變、相位變，輸出則也會(huì)幅度變、相位變。輸入幅度變，輸出幅度和相位都會(huì)變，叫調(diào)幅、調(diào)相

(AM/PM)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象?；妷涸鲆妫何⒉ㄓ邢嘁凭W(wǎng)絡(luò)低頻無(wú)相移網(wǎng)絡(luò)117.調(diào)幅、調(diào)相轉(zhuǎn)換系數(shù)輸入幅度變、相位變，輸出則也會(huì)12AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)輸入單頻等幅信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)相位變化(單位：弧度)與輸入信號(hào)功率變化(單位：dB)的比值。調(diào)幅信號(hào)(A變化)：輸入g(A)：AM－AM特性，輸入輸出幅度不成正比(A)：

AM－PM特性，輸入輸出相位有變化輸出輸入信號(hào)幅度變化引起：交調(diào)失真、群時(shí)延失真、頻譜展寬12AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)調(diào)幅信號(hào)(A變化)：輸入g(A)：13§1.8.2功率放大器設(shè)計(jì)原則1.線性功率放大器與小信號(hào)高增益放大器設(shè)計(jì)的S參數(shù)公式完全一樣。區(qū)別僅是：由于功率管輸入阻抗很低，匹配電路形式有少許不同。13§1.8.2功率放大器設(shè)計(jì)原則1.線性功率放大器區(qū)14S參數(shù)隨Pin變化規(guī)律：S11

只變相位S21

只降模值S22

只降模值S12

只升模值S參數(shù)測(cè)量困難：

a.大功率的測(cè)量設(shè)備

b.不同功率、不同頻率下測(cè)量，數(shù)據(jù)量大

c.容易損壞功率管

一般用模型法2.大信號(hào)S參數(shù)法輸入信號(hào)加大，功率管呈非線性14S參數(shù)隨Pin變化規(guī)律：S11只變相位153.動(dòng)態(tài)阻抗法沒有模型也沒有S參數(shù)的晶體管，可先測(cè)得最佳Zin、Zout，再設(shè)計(jì)微帶匹配電路。

在一定頻率及輸入電平下，調(diào)整工作點(diǎn)及調(diào)配器，使輸出功率最大、同時(shí)效率較高(偏置電流小)時(shí)，得最佳負(fù)載狀態(tài)。用共軛替代法，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)出此狀態(tài)下兩端輸入、輸出阻抗，用于功放匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

這種方法的功放非線性是不可預(yù)估的，故對(duì)線性功放的設(shè)計(jì)一般不用。153.動(dòng)態(tài)阻抗法在一定頻率及輸入電平下，調(diào)整工作點(diǎn)及調(diào)16FET等效電路4.大信號(hào)非線性模型法(諧波平衡法)

電路中5個(gè)非線性元件：ID---f1(Vgi,VDS)跨導(dǎo)非線性Gds--f2(Vgi,VDS)輸出電導(dǎo)Cgs--f3(Vgi)柵源結(jié)變電容IG---f4(Vgi)輸入功率加大后出現(xiàn)的正柵壓導(dǎo)致正向柵極電流IB---f5(Vgi)大漏壓導(dǎo)致柵漏之間的反向擊穿電流16FET等效電路4.大信號(hào)非線性模型法(諧波平衡法)17

第二章微波混頻器§2.1 微波混頻器件

§2.2 肖特基勢(shì)壘二極管

§2.3

非線性電阻混頻原理

§2.4

微波混頻器電路

§2.5

諧波混頻器(書§2.8.2)§2.6

混頻器的數(shù)值分析法(書§2.5)§2.7

混頻器噪聲系數(shù)

§2.8上變頻器17第二章微波混頻器§2.1 微波混頻器件18§2.1微波混頻器件

二極管混頻 性能穩(wěn)定 動(dòng)態(tài)范圍大 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)電源 成本低三極管混頻 有混頻增益 可實(shí)現(xiàn)自振蕩混頻18§2.1微波混頻器件二極管混頻19

微波二極管混頻肖特基勢(shì)壘管(面接觸)，點(diǎn)接觸振蕩體效應(yīng)管(甘氏管)，雪崩管控制PIN管調(diào)頻變?nèi)莨鼙额l變?nèi)莨?，階躍恢復(fù)管放大變?nèi)莨埽w效應(yīng)管檢波反向管，低勢(shì)壘管整流平面管，閘流管控溫致冷PN結(jié)19 微波二極管混頻肖特基勢(shì)壘管(面接觸)，點(diǎn)接觸20§2.2肖特基勢(shì)壘二極管

(SchottkyBarrierDiode)混頻管基本要求 噪聲小，變頻損耗小，結(jié)構(gòu)外形合理管芯結(jié)構(gòu)

N+

基片(Si)：0.1~0.2mm

外延：純度高，結(jié)構(gòu)細(xì)，晶格錯(cuò)位少保護(hù)絕緣層SiO2

開窗蒸發(fā)金屬構(gòu)成勢(shì)壘歐姆接觸20§2.2肖特基勢(shì)壘二極管

(SchottkyBar21混頻二極管封裝

環(huán)氧樹脂封裝塑料封裝陶瓷封裝 梁式引線管21混頻二極管封裝環(huán)氧樹脂封裝22混頻二極管封裝和等效電路LS---引線電感，要短CP---管殼寄生電容(與管殼材料、形狀有關(guān))RS---串聯(lián)電阻，包括N型半導(dǎo)體層的體電阻、襯底電阻、電極的歐姆接觸電阻(與材料、工藝有關(guān))Cj---結(jié)電容，結(jié)面積要小

Rj---結(jié)電阻22混頻二極管封裝和等效電路LS---引線電感，要短23封裝形式比較

陶瓷封裝性能好(CP、LS小)穩(wěn)定、可靠、抗震、抗?jié)癯叽绱蠼Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高微帶塑封適用于混合集成成本低、尺寸小電容大、頻率低梁式引線寄生參數(shù)小，頻率高工藝難度大，成本高23封裝形式比較陶瓷封裝24混頻二極管電特性1.I-V特性IS－反向飽和電流，n－工藝?yán)硐胍蜃覭－波爾茲曼常數(shù)e－電子電荷VB－擊穿電壓24混頻二極管電特性1.I-V特性IS－反向飽和電流，252.

C-V

特性Cj(0)--V=0時(shí)的結(jié)電容，0.05~0.3pF V--外電壓

--接觸勢(shì)壘電位：GaAs--0.8~1.1V，Si--0.4~0.6V公式有效范圍V<0.9V0.9時(shí),252.C-V特性Cj(0)--V=0時(shí)的結(jié)電容，263.串聯(lián)電阻RS

取決于半導(dǎo)體材料和工藝

N型半導(dǎo)體電導(dǎo)率：eNDn

ND--施主雜質(zhì)濃度

n--N型半導(dǎo)體電子遷移率

P型半導(dǎo)體電導(dǎo)率：eNAp

NA--受主雜質(zhì)濃度

p--P型半導(dǎo)體電子遷移率

N型比P型遷移率高

GaAs比Si高(6倍)，InP更好。常用N型GaAsRS引起有用信號(hào)損失、降低截止頻率、增加熱噪聲263.串聯(lián)電阻RSRS引起有用信號(hào)損失、降低截止頻率、增THANKYOUSUCCESS2023/7/3127可編輯THANKYOUSUCCESS2023/7/282284.微分電導(dǎo)動(dòng)態(tài)電阻g大，變頻損耗低(即工作點(diǎn)電流愈大變頻損耗愈低)5.截止頻率工作頻率增高時(shí)，損耗加大，當(dāng)管的品質(zhì)因數(shù)降為1時(shí)，將失去混頻作用而成為純損耗器件。時(shí)，損耗極大，定義為截止頻率284.微分電導(dǎo)動(dòng)態(tài)電阻g大，變頻損耗低(即工作點(diǎn)電流愈大296.混頻器變頻損耗

定義：

失配損耗：取決于混頻器微波輸入和中頻輸出端口的匹配程度。(0.5~1dB)

S、i

是微波輸入和中頻輸出端口的駐波比。

混頻二極管的管芯結(jié)損耗r：Cj、Rj

隨本振激勵(lì)功率變化而變化。

混頻器的非線性電導(dǎo)凈變頻損耗g296.混頻器變頻損耗失配損耗：取決于混頻器307.中頻阻抗

當(dāng)二極管加上額定本振功率(通常為1mW)時(shí)，對(duì)指定中頻所呈現(xiàn)的阻抗。典型值在200~600。8.商品混頻管提供的參數(shù)

變頻損耗：典型值3~5dB

噪聲系數(shù)：典型值4~8dB

中頻阻抗：典型值200~600307.中頻阻抗8.商品混頻管提供的參數(shù)31§2.3非線性電阻混頻原理Vd--直流工作點(diǎn)肖特基勢(shì)壘二極管：本振1mW信號(hào)10-3~10-8mW31§2.3非線性電阻混頻原理Vd--直流工作點(diǎn)肖特基勢(shì)壘32由于VL>>VS，工作點(diǎn)隨VL周期變化

在工作點(diǎn)(Vd+VLcosLt)上展開成泰勒級(jí)數(shù)式中32由于VL>>VS，工作點(diǎn)隨VL周期變化在工作點(diǎn)(Vd+33或33或34二極管電流中的交流小信號(hào)成分：—— 各高次諧波34二極管電流中的交流小信號(hào)成分：—— 各高次諧波35中頻：if=S-L(S>L)if=L-S(L>S)信號(hào)的鏡頻(S>L)

：i=2L-S(imagefrequency)=L-if=S-2if中頻成分：鏡頻幅度由g2VS決定，由于if<<S，而鏡頻距信頻僅2倍中頻，往往在信號(hào)通帶之內(nèi)，鏡頻分量在信號(hào)源內(nèi)阻上會(huì)造成功率損耗。35中頻：if=S-L(S>36如果信號(hào)源端設(shè)計(jì)成電抗終端，如果相位合適，使鏡頻能量反射回二極管，鏡頻和本振再混頻，產(chǎn)生中頻(L-i=if)，減小凈變頻損耗，叫鏡頻能量回收。

A.相位不合適，損耗在RS上；

B.高次諧波能量很小，回收效率太低，意義不大。本振二次諧波以上各分量很小，且其頻率往往在信號(hào)通帶之外，簡(jiǎn)化分析時(shí)可以忽略不計(jì)。分析和設(shè)計(jì)混頻器電路時(shí)要特別考慮：信號(hào)S，本振頻率L，中頻if，鏡頻i

輸出電路抑制掉S、L、i

36如果信號(hào)源端設(shè)計(jì)成電抗終端，如果相位合適，使鏡頻能量反射37§2.4微波混頻器電路§2.4.1單管混頻器(書§2.4.1~2)基本組成部分：混頻管-----fC>10fS混合隔離電路---信號(hào)與本振隔離，互不影響充分利用信號(hào)，防止反射。*隔離度不足：本振反射發(fā)射信號(hào)；信號(hào)被漏掉，變頻損耗大。*隔離度太大：本振功率源浪費(fèi)；本振功率不足，變頻損耗大。37§2.4微波混頻器電路§2.4.1單管混頻器(書38中頻、濾波-----取出fif，濾除fS、fL

直流與中頻通路：保證二極管正常工作。*直流工作點(diǎn)V高，節(jié)省本振功率，變頻損耗大，Zin降低。匹配-----fS、fL*由于信號(hào)電平較小，首先應(yīng)保證信號(hào)路匹配，定向耦合器和阻抗變換器設(shè)計(jì)時(shí)中心頻率按信號(hào)頻率考慮。38中頻、濾波-----取出fif，濾除fS、fL393940§2.4.2平衡混頻器(書§2.4.3)優(yōu)點(diǎn)：電橋--改善隔離，充分利用信號(hào)、本振功率，增大信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍減弱本振噪聲，改善噪聲系數(shù)抑制諧波，減少失真、干擾與損耗一、900移相型混頻管兩只，特性一致混頻管經(jīng)匹配電路變?yōu)榕c電橋輸出口阻抗匹配分支電橋，均分功率，隔離本振和信號(hào)微波接地用四分之一波長(zhǎng)開路微帶兩混頻管直流閉合需中頻通路40§2.4.2平衡混頻器(書§2.4.3)優(yōu)點(diǎn)：一、9041414290移相變阻抗電橋混頻管阻抗經(jīng)移相成純阻RD變阻抗電橋3，4口阻抗為RD微波接地用扇形線4290移相變阻抗電橋43常用電橋43常用電橋441.混頻管上的相位關(guān)系規(guī)定二極管上電壓、電流以二極管導(dǎo)通方向?yàn)檎较蛐盘?hào)本振中頻輸出電導(dǎo)假設(shè)S>L，if=S-L441.混頻管上的相位關(guān)系規(guī)定二極管上電壓、電流以二極管45信號(hào)本振中頻輸出電導(dǎo)輸入信號(hào)、本振功率平分加到兩個(gè)混頻管，得到充分利用。降低了對(duì)本振輸出功率的要求，增加了輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)