微波集成電路學(xué)習(xí)3：微波混合集成電路課件

1、第三章 微波混合集成電路目錄3.1 概述3.2 微帶集成電路中的不連續(xù)性3.3耦合微帶線定向耦合器3.4微帶線三端口功率分配器3.5微帶線混合集成晶體管放大器3.6微帶集成電路結(jié)構(gòu)相關(guān)問題3.1概述體積大、笨重，無法滿足機(jī)載、星載等要求平面集成電路有源和無源器件AWS-1 was Decca Radars first S-band(2.7 to 3.1 GHz) sea-going radar.信號(hào)源采用磁控管，傳輸線采用波導(dǎo)立體電路.3.1概述有源器件方面：3.1概述3.1概述1950s,平面?zhèn)鬏斁€概念被提出；1960s, 帶狀線、微帶線問題解決，微波集成電路（MIC）開始發(fā)展;1970s,

2、氧化鋁基片和薄膜工藝發(fā)展，使得MIC進(jìn)入高速發(fā)展期；1980s, MIC基本成熟。集成電路技術(shù)方面：微波電路元件集中參數(shù)元件 與頻率無關(guān)的參數(shù)，例： L、C、R。由于元件尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，可近似認(rèn)為傳播過程中不存在相位變化。分布參數(shù)元件 元件尺寸與工作波長(zhǎng)可比擬（/10）時(shí)，采用分布參數(shù)傳輸線，如同軸線、微帶線等。3.1概述1 inch=25.4mm的導(dǎo)線可以產(chǎn)生的電感為10nH，在1GHz時(shí)的阻抗為63歐姆。3.1概述混合集成電路應(yīng)用:3.1概述毫米波T/R組件低噪放混頻器倍頻器 本章將從工程設(shè)計(jì)角度出發(fā)，主要介紹如下內(nèi)容：1微帶電路設(shè)計(jì)的相關(guān)問題。2基本微帶元件。3部分重要的固態(tài)電路。3

3、.1概述3.2微帶集成電路中的不連續(xù)性3.2.1 概述當(dāng)微帶電路產(chǎn)生不連續(xù)性時(shí)，將帶來如下影響：第一，不連續(xù)性區(qū)域?qū)l(fā)生能量的存儲(chǔ)；第二，產(chǎn)生反射波；第三，場(chǎng)通過連續(xù)性區(qū)域后重新沿均勻線傳輸時(shí)，與進(jìn)入不連續(xù)性區(qū)域之前有所不同，時(shí)延效應(yīng)將產(chǎn)生相位上的變化，而不連續(xù)處存在的損耗將產(chǎn)生信號(hào)幅度上的變化。3.2微帶集成電路中的不連續(xù)性微帶線不連續(xù)性等效電路分析方法： 假設(shè)微帶線上傳輸?shù)腡EM模，且不連續(xù)區(qū)域遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，分析方法可以分為三個(gè)步驟：場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析，確定是容性還是感性確定合適的電路模型用數(shù)學(xué)或?qū)嶒?yàn)方法確定元件值3.2微帶集成電路中的不連續(xù)性下變頻器微帶集成電路中不連續(xù)性類型：微帶開路端/端節(jié)

4、線；微帶線的階梯跳變；微帶間隙；微帶線的拐角；微帶線T接頭；微帶線十字接頭;3.2.2微帶線的開路端/截?cái)喽?4開路線;微帶到波導(dǎo)探針過渡;微帶線匹配枝節(jié);3.2.2微帶線的開路端/截?cái)喽碎_路線縮短效應(yīng)，長(zhǎng)度為l;邊緣電荷積聚（C）；過剩電荷相關(guān)的電流流動(dòng)（L）；能量輻射（R）；介質(zhì)板內(nèi)外的表面波（厚基板）。3.2.2微帶線的開路端/截?cái)喽?.2.3微帶線的階梯跳變 兩條不同特性阻抗微帶線的連接點(diǎn)，低特性阻抗線的電流密度變小，導(dǎo)致面電荷密度也較少。微帶寬度跳變區(qū)域電流示意圖和等效電路3.2.3微帶線的階梯跳變E面:與電場(chǎng)矢量平行的平面H面:與磁場(chǎng)矢量平行的平面對(duì)偶波導(dǎo)模擬法3.2.3微帶線的階

5、梯跳變3.2.3微帶線的階梯跳變3.2.4微帶間隙微帶間隙及其等效電路兩條微帶通過一個(gè)串聯(lián)電容；兩條微帶的截?cái)喽伺c導(dǎo)體襯底之間等效于各并聯(lián)一個(gè)電容 由于這個(gè) 型網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱的，所以可以采用下列兩個(gè)條件進(jìn)行求解：一、兩條微帶線對(duì)稱饋電，使兩個(gè)截?cái)喽酥g沒有電壓，即C12等于短路3.2.4微帶間隙 求偶模電容Ce二、兩條微帶反對(duì)稱饋電，這時(shí)候，C12等于兩個(gè)串聯(lián)，中心點(diǎn)等效為接地。3.2.4微帶間隙求奇模電容Co3.2.5微帶線拐角 在拐角地區(qū)如同有一個(gè)并聯(lián)電容，路徑的加長(zhǎng)如同是兩段短傳輸線或是兩個(gè)電感。直角拐角電流示意圖和等效電路 微帶匹配拐角（a）50歐姆；（b）任意寬度3.2.5微帶線拐角 直

6、接的直角拐角會(huì)產(chǎn)生較大反射。為了減小反射，把拐角的外部切成 斜角，利用兩次反射的相互抵銷達(dá)到匹配。斜角邊長(zhǎng)是使兩次反射 “抵消”的關(guān)鍵。3.2.5微帶線拐角3.2.5微帶線拐角3.2.6微帶線T接頭微帶T 型接頭在微帶電路中應(yīng)用廣泛，如分支線電橋等。微帶T接頭等效電路3.2.7微帶線十字接頭微帶線十字接頭的設(shè)計(jì)資料不多，主要是實(shí)驗(yàn)的方法來確定其性能。微帶線十字接頭及其等效電路3.2.8微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件1.串聯(lián)電感和并聯(lián)電容一段無耗短傳輸線若Zc大，則L大， C小可忽略,等效為串聯(lián)電感；若Zc小，則C大， L小可忽略,可等效為并聯(lián)電容. 當(dāng)介質(zhì)基片厚度一定時(shí)，微帶寬度W，則Zc；CL / 2等

7、效L / 2一段窄的短微帶線可等效為串聯(lián)電感；一段寬的短微帶線可等效為并聯(lián)電容。T型集總元件電路（a）間隙電容 （b）交指電容（c）中心導(dǎo)體上的迭層電容 2. 微帶電容元件3.2.8微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件電容值較小電容值較大電容值最大3. LC串聯(lián)諧振電路3.2.8微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件 在傳輸線上并聯(lián)一個(gè)或多個(gè)支節(jié)，這些支節(jié)等效于串聯(lián)或并聯(lián)諧振回路。LCCL3.2.8微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件如果是一個(gè)串聯(lián)諧振和一個(gè)接地的并聯(lián)諧振相互級(jí)聯(lián)，其響應(yīng)又如何？3.2.8微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件 (a) 右手傳輸線的色散曲線 (b) 左手傳輸線的色散曲線 (c) 復(fù)合傳輸線的色散曲線 3.2.8微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件3.2.

8、8微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件負(fù)折射率的實(shí)現(xiàn) 左手材料（或者說電磁超介質(zhì)材料）-負(fù)折射率DPSENGMNGDNG3.2.8微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件 2000年 Smith將細(xì)銅導(dǎo)線和開口金屬諧振環(huán)（SRR）搭配在一起，分別產(chǎn)生等效負(fù)介電常數(shù)和等效負(fù)磁導(dǎo)率，第一次在微波頻段實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射率 。3.2.8微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件3.2.8 微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件3.2.8 微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件3.2.8 微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件平面諧振式復(fù)合傳輸線 1）F. Martin和J. Bonache將SRR結(jié)構(gòu)應(yīng)用到平面電路中，在共面波導(dǎo)的背面加入了SRR 2）F. Falcone等人首次提出了CSRR結(jié)構(gòu) 。 3.2.8 微帶線實(shí)現(xiàn)集總

9、元件3.2.8 微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件 (c） （d） (a)負(fù)介電常數(shù)傳輸線單元；(b)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率傳輸線單元(c)與(a)相對(duì)應(yīng)的等效電路；(d)與(b)相對(duì)應(yīng)的等效電路（b）（a）3.2.8微帶線實(shí)現(xiàn)集總元件 實(shí)現(xiàn)復(fù)合左右手傳輸線的三種主要途徑。(a)集總元件法；（b）交指電容法；（c）蘑菇云結(jié)構(gòu)法。(2004年前后被Tatsuo Itoh和G. V. Eleftheriades教授) (a) (b)(c) 在低頻階段，它呈現(xiàn)出左手材料結(jié)構(gòu)特性，相速度和群速度的傳播方向相反,并且具有相位提前的傳輸特性；而在高頻階段，它又呈現(xiàn)出右手材料特性，相速度和群速度的傳播方向相同。3.2.8微帶

10、線實(shí)現(xiàn)集總元件8.69 mm 18.9 mm3.3 耦合微帶線定向耦合器3.3 .1 耦合微帶線距離較近的微帶線之間都有能量耦合。耦合微帶線的結(jié)構(gòu)微帶線之間的電耦合和磁耦合當(dāng)對(duì)任意一個(gè)口加以激勵(lì)時(shí)，通過長(zhǎng)度為l的線間耦合，如何求得主線和輔線（不加信號(hào)源的線）的各個(gè)引出口的響應(yīng)？3.3 .1 耦合微帶線耦合微帶線的分析方法耦合微帶線中奇、偶模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)1、2兩口輸入一對(duì)相互對(duì)稱的信號(hào)，如兩個(gè)相同的電壓U1、2兩口輸入一對(duì)相互反對(duì)稱的信號(hào)，如兩個(gè)幅度相等、相位相反的電壓U與-U四口網(wǎng)絡(luò)的問題就可以作二口網(wǎng)絡(luò)來分析3.3 .1 耦合微帶線 當(dāng)然，奇偶模激勵(lì)只是一種特殊情況，在一般情況下并不是奇偶模激勵(lì)

11、。但是在口1、2上，任意一對(duì)輸入電U1，U2，總可以分解成一對(duì)奇偶模分量，并使U1等于兩分量之和， U2等于兩分量之差。3.3 .1 耦合微帶線故而得到：必須注意的是：（1）奇偶模激勵(lì)時(shí)，由于邊界不同，場(chǎng)結(jié)構(gòu)不同，耦合線上的狀況及其參量是不相同的，必須先分解成奇偶模各自求解，最后將結(jié)果進(jìn)行疊加后才是耦合線的解。（2）對(duì)解對(duì)稱四口網(wǎng)絡(luò)的問題，利用線性網(wǎng)絡(luò)疊加原理，都可以采用奇偶模分析法加以簡(jiǎn)化分析。3.3 .1 耦合微帶線3.3.2 耦合微帶線定向耦合器1. 平行耦合微帶線定向耦合器主線副線鋸齒形定向耦合器提高定向性鋸齒形定向耦合器實(shí)例3.3.2 耦合微帶線定向耦合器均勻介質(zhì)填充的耦合微帶線定向

12、耦合器分析3.3.2 耦合微帶線定向耦合器微帶平行耦合線定向耦合器微帶平行耦合線定向耦合器等效電路由端口輸入的信號(hào)一部分傳至端口，一部分耦合至副線由端口輸出，端口無輸出。設(shè)口接電壓源1V，口均接匹配負(fù)載Z0，于是，除口外，其余三口僅存在出射波b2,b3,b4, 1口的反射波為b1,于是各端口電壓:3.3.2 耦合微帶線定向耦合器由于耦合微帶線在結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱性，因而可采用奇、偶模概念和疊加原理，把定向耦合器分解為二個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)來分析。把偶模和奇模工作狀態(tài)的電壓、電流疊加起來，即得各路總電壓和總電流。3.3.2 耦合微帶線定向耦合器奇偶模激勵(lì)電壓為：偶模激勵(lì)時(shí)：其中，oe和Toe為偶模激勵(lì)時(shí)的電壓

13、反射系數(shù)和傳輸系數(shù)奇模激勵(lì)時(shí)：3.3.2 耦合微帶線定向耦合器其中，oo和Too為偶模激勵(lì)時(shí)的電壓反射系數(shù)和傳輸系數(shù)利用線性疊加原理，各端口的電壓為：3.3.2 耦合微帶線定向耦合器為使平行耦合線構(gòu)成完全匹配的反向定向耦合器，必須有3.3.2 耦合微帶線定向耦合器耦合微帶線定向耦合器完全匹配和完全隔離條件均勻介質(zhì)填充電壓耦合系數(shù)任意頻率上的耦合系數(shù)為3.3.2 耦合微帶線定向耦合器傳輸系數(shù) (1)主線1-4與耦合線2-3能量傳輸方向相反，故耦合微帶線定向耦合器又稱為反向定向耦合器;(2)滿足能量守恒(3)S21和S41相位差相差90度，故平行耦合線定向耦合器是一全波段90度定向耦合器。(4）在

14、中心頻率上耦合最強(qiáng)，偏離中心頻率越遠(yuǎn)，耦合越弱。3.3.2 耦合微帶線定向耦合器定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)（1）耦合度：3.3.2 耦合微帶線定向耦合器（2）定向性：（3）隔離度：例：設(shè)計(jì)一個(gè)耦合微帶線定向耦合器，其中心頻率為750MHz，耦合為10dB。3.3.2 耦合微帶線定向耦合器3.3.2 耦合微帶線定向耦合器計(jì)算得W=2.38mm,S=0.31mm, P=57.16mm,且50微帶線寬度W50=2.92mm一般來講，考慮加工精度的影響，單個(gè)定向耦合器的耦合度較弱，C一般大于6dB，低于6dB則由于耦合間隙太小，工藝上難以實(shí)現(xiàn)。方向性較差，一般隔離度不超過30dB，很多時(shí)候，由 可知，對(duì)于弱

15、耦合的場(chǎng)合，方向性一般較差（幾個(gè)dB）。3.3.2 耦合微帶線定向耦合器如何實(shí)現(xiàn)高隔離度、強(qiáng)耦合定向耦合器？實(shí)際耦合微帶線耦合器需考慮的問題：3.3.2 耦合微帶線定向耦合器（2）制造公差的影響（1）非均勻填充介質(zhì)導(dǎo)致的奇偶模相速不等對(duì)定向性的影響.隔離度改善耦合微帶線定向耦合器方向性的方法3.3.2 耦合微帶線定向耦合器曲折線定向耦合器介質(zhì)加載定向耦合器由于把耦合區(qū)的直線邊界改變成折線邊界，使耦合區(qū)加長(zhǎng)，兩根線的分布電容加大，從而使奇模電容加大。在耦合微帶線的金屬圖案上，再加一塊介質(zhì)，它使兩根微帶線的分布電容加大，從而使奇模電容加大。改善耦合微帶線定向耦合器耦合度的方法3.3.2 耦合微帶線

16、定向耦合器 在需要緊耦合（例如3dB）耦合微帶線定向耦合器，采用單節(jié)，則因耦合間隙太小，工藝上難以實(shí)現(xiàn)。為此，常采用兩個(gè)較松耦合的定向耦合器串接起來，以得到較緊耦合的定向耦合器。在串接時(shí)，首先要把每個(gè)耦合微帶線定向耦合器的耦合段交叉跨接，使輸入端口和隔離端口在一邊，兩個(gè)輸出端口在另一邊，如圖 (a)所示。然后再將它們串接起來，如圖b)所示。 (a)單節(jié)耦合線的跨接(b)兩個(gè)定向耦合器的串接3.3.2 耦合微帶線定向耦合器Lange耦合器當(dāng)要求緊耦合（耦合度小于6dB）時(shí)，可采用交指結(jié)構(gòu)（交指數(shù)通常取4）3.3.2 耦合微帶線定向耦合器3.3.2 耦合微帶線定向耦合器3.3.2 耦合微帶線定向耦

17、合器3.3.2 耦合微帶線定向耦合器3.3.2 耦合微帶線定向耦合器微帶分支電橋3214ABCD 1輸入，2、3輸出，相位差90度； 4為隔離端口，無輸出；無耗T形結(jié)功分器3.4 微帶線三端口功率分配器無耗三端口網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)端口無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)匹配！匹配條件3.4 微帶線三端口功率分配器有耗T形結(jié)功分器匹配條件可實(shí)現(xiàn)三個(gè)端口的完全匹配！3.4 微帶線三端口功率分配器有耗T形結(jié)功分器損耗了一半功率Wilkinson（威爾金森）功分器3.4 微帶線三端口功率分配器三端口功分網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)輸出隔離和三個(gè)端口匹配采用奇偶模分析3.4 微帶線三端口功率分配器偶模激勵(lì)3.4 微帶線三端口功率分配器2、3端口匹配3

18、.4 微帶線三端口功率分配器奇模激勵(lì)2、3端口匹配3.4 微帶線三端口功率分配器3.4 微帶線三端口功率分配器3dB功率分配器具有：（1）等幅同相輸出；（2）輸出端口具有非常好的隔離度。3dB Wilkinson功率合成器3.4 微帶線三端口功率分配器3.4 微帶線三端口功率分配器3dB Wilkinson功率合成/分配器應(yīng)用APH631,92 -96GHz,25dBmHRL-G94,500mW,9295GHz(產(chǎn)品) APH631,92 -96GHz,18dBm,G=23dB3.4 微帶線三端口功率分配器Wilkinson不等分功分器3.4 微帶線三端口功率分配器隔離電阻R計(jì)算3.4 微帶線

19、三端口功率分配器隔離匹配3.4 微帶線三端口功率分配器3.4 微帶線三端口功率分配器Wilkinson不等分功分器設(shè)計(jì)公式3.4 微帶線三端口功率分配器對(duì)于端口1來說，實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)1/4波長(zhǎng)阻抗變換器，其相對(duì)帶寬較窄。寬帶設(shè)計(jì)例1：設(shè)計(jì)一個(gè)二等分功分器，f=10GHz，輸入輸出阻抗50，畫出結(jié)構(gòu)示意圖，并簡(jiǎn)要考慮對(duì)不連續(xù)性的修正。（選取介質(zhì)基片介電常數(shù)r=6.15，基片厚度h=0.635mm，金屬圖案層厚度t=0.035mm）。3.4 微帶線三端口功率分配器例2：設(shè)計(jì)一X波段功率分配合成網(wǎng)絡(luò)：工作頻率：8-12GHz駐波比：1.5（ 14dB）差損：1dB3.4 微帶線三端口功率分配器（1

20、）選擇基片材料(2)方案選擇3.4 微帶線三端口功率分配器(3)ADS原理圖仿真和優(yōu)化3.4 微帶線三端口功率分配器(4)三維場(chǎng)仿真3.4 微帶線三端口功率分配器仿真和優(yōu)化3.4 微帶線三端口功率分配器在8-12GHz內(nèi)的駐波比VSWR1.4，插入損耗0.68dB，符合指標(biāo)的要求。設(shè)計(jì)是否完成？小型化寬帶功分器 經(jīng)典Wilkinson等分功分器有幾個(gè)缺點(diǎn):在大功率應(yīng)用中，要求隔離電阻具有大的耗散功率，因此相應(yīng)隔離電阻的體積也會(huì)比較大，但是大電阻很難實(shí)現(xiàn)較好的熱量傳輸。四分之一波長(zhǎng)線較長(zhǎng)，間距也比較大，所以功分器占用面積大.3.4 微帶線三端口功率分配器改進(jìn)型功分器結(jié)構(gòu)圖傳輸線B實(shí)質(zhì)起到了阻抗變

21、換的作用3.4 微帶線三端口功率分配器為了實(shí)現(xiàn)寬帶等分的功分器，寬帶阻抗變換是關(guān)鍵寬帶阻抗轉(zhuǎn)換傳輸線匹配節(jié)模型 為從根本上杜絕反射的產(chǎn)生，不能只依靠反射的相互抵消，而盡可能地將每一個(gè)反射分量壓低，即在每一個(gè)反射點(diǎn)，設(shè)法將反射補(bǔ)償?shù)?，稱為共面補(bǔ)償法。開口環(huán)諧振環(huán)漸變阻抗變換器3.4 微帶線三端口功率分配器補(bǔ)償和反射在傳輸線的同一個(gè)橫截面上，距離很近，就保證了寬頻帶工作3.5 微帶線混合集成晶體管放大器概念 放大把微弱的電信號(hào)的幅度放大。一個(gè)微弱的電信號(hào)通過放大器后，輸出電壓幅度或功率得到了放大，但它隨時(shí)間變化的規(guī)律不能變，即不失真。3.5.1 微波晶體管放大器常用的微波放大器放大器技術(shù)指標(biāo)：反射

22、系數(shù)；功率增益；噪聲系數(shù)；增益平坦度；動(dòng)態(tài)范圍；3.5.1 微波晶體管放大器反射系數(shù)表征的是某一個(gè)參考面的信號(hào)傳輸與反射特性。1.放大器技術(shù)指標(biāo)反射系數(shù) 端口1加激勵(lì)信號(hào)源 ,端口2不加激勵(lì)： 傳送到晶體管輸入端的信號(hào)功率 P1 ;信號(hào)源資用功率P1a ; 放大器輸出端口傳送給負(fù)載的功率P2 ;放大器輸出口的資用功率P2a ;2.放大器技術(shù)指標(biāo)功率增益常用的微波放大器功率增益定義有實(shí)際增益、資用增益和轉(zhuǎn)換增益。2.放大器技術(shù)指標(biāo)功率增益， 只有當(dāng)放大器的輸入端口和輸出端口都同時(shí)實(shí)現(xiàn)共軛匹配時(shí)，這三個(gè)功率增益才相等。2.放大器技術(shù)指標(biāo)功率增益接收機(jī)系統(tǒng)猶如人的耳朵，噪聲大了，耳朵就不靈了！3.放

23、大器技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)與噪聲溫度放大器的噪聲系數(shù)NF可定義如下式中，NF為微波部件的噪聲系數(shù)；Sin，Nin分別為輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率； Sout，Nout分別為輸出端的信號(hào)功率和噪聲功率。3.放大器技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)與噪聲溫度噪聲系數(shù)的物理含義是：信號(hào)通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。通常，噪聲系數(shù)用分貝數(shù)表示，此時(shí)噪聲機(jī)理：在晶體管內(nèi)，載流子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起不規(guī)則變化的電流起伏，因而產(chǎn)生不規(guī)則變化的電壓起伏，這種不規(guī)則變化的電流和電壓形成晶體管的噪聲。3.放大器技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)與噪聲溫度噪聲源：在HEMTs半導(dǎo)體器件中，存在的噪聲源主要有熱噪

24、聲、散粒噪聲、感應(yīng)柵噪聲、閃爍噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲等。閃爍噪聲:是通常所說的1/f 噪聲，其形成機(jī)理比較復(fù)雜和多樣化，大小與半導(dǎo)體材料、表面處理等諸多因素相關(guān)。產(chǎn)生-復(fù)合噪聲:是由于載流子產(chǎn)生復(fù)合過程中引起電流起伏而形成的。閃爍噪聲和產(chǎn)生-復(fù)合噪聲通常只影響低頻噪聲.3.放大器技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)與噪聲溫度熱噪聲、感應(yīng)柵極噪聲和散粒噪聲。低頻噪聲高頻噪聲熱噪聲：是由于在導(dǎo)體中由于帶電粒子熱騷動(dòng)而產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲。FET的熱噪聲主要來源于溝道電阻、柵電阻和源漏寄生電阻。熱噪聲表達(dá)式為：3.放大器技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)與噪聲溫度其中 h為普朗克常量， k為波爾茲曼常數(shù)， T為溫度， f 為頻率。通常hf kT

25、，因此熱噪聲又可以表示為：感應(yīng)柵噪聲：是由于沿溝道的噪聲電壓起伏通過電容耦合到柵極上感應(yīng)出的電荷變化而出現(xiàn)的噪聲電流，由于溝道的熱噪聲和感應(yīng)柵噪聲都是由相同的噪聲電壓在溝道中引起的，因而它們之間有部分相關(guān)性。3.放大器技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)與噪聲溫度散粒噪聲：則是由于柵極泄露電流或者界面復(fù)合電流引起的，其表達(dá)式為=2qIgl 。散粒噪聲大小與工作頻率無關(guān)，屬于高斯白噪聲。3.放大器技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)與噪聲溫度微波放大器在沒有輸入信號(hào)時(shí)也有功率輸出，那就是噪聲功率放大器自身產(chǎn)生的噪聲也可用等效噪聲溫度Te來表達(dá)。NF(dB)0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0N

26、F1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.230 1.259 Te(K)6.825 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 NF(dB) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 10 NF1.413 1.585 1.778 1.995 2.239 2.512 2.818 3.162 3.981 10.00Te(K)120.9 171.3 228.1 291.6 362.9 442.9 532.8 633.5 873.5 2637式中，T

27、0為環(huán)境溫度，通常取為300K。3.放大器技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)與噪聲溫度噪聲系數(shù)和噪聲溫度關(guān)系3.放大器技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)與噪聲溫度多級(jí)放大器的級(jí)聯(lián)形式，噪聲系數(shù)的表達(dá)式如下4.放大器技術(shù)指標(biāo)增益平坦度增益平坦度是指工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏，常用最高增益與最小增益之差，即G(dB)表示，如下圖所示。5.放大器技術(shù)指標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍是指低噪聲放大器輸入信號(hào)允許的最小功率和最大功率的范圍。 動(dòng)態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。當(dāng)放大器的噪聲系數(shù)Nf給定時(shí)，輸入信號(hào)功率允許最小值是：其中：M 為最小輸入可檢測(cè)信號(hào)； 動(dòng)態(tài)范圍的上限是受非線性指標(biāo)限制，有時(shí)候要求更加嚴(yán)格些，則定義為放大器非線性特性達(dá)到指定三階

28、交調(diào)系數(shù)時(shí)的輸入功率值。3.5.2微波晶體管放大器的穩(wěn)定性穩(wěn)定工作是放大器性能指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的前提（1） 端口的穩(wěn)定性設(shè)網(wǎng)絡(luò)某一端口的輸入阻抗是 有源網(wǎng)絡(luò)可以這樣來劃分成為兩大類：一類稱為無條件穩(wěn)定或絕對(duì)穩(wěn)定的；一類稱為有條件穩(wěn)定的或潛在不穩(wěn)定的。R0時(shí)，端口絕對(duì)穩(wěn)定R0時(shí)，端口不穩(wěn)定(2)晶體管放大器穩(wěn)定性條件3.5.2微波晶體管放大器的穩(wěn)定性絕對(duì)穩(wěn)定的充要條件放大器的穩(wěn)定系數(shù)晶體管放大器絕對(duì)穩(wěn)定的判別準(zhǔn)則潛在不穩(wěn)定端接負(fù)載3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)原理A類B類D類E類F類AB3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)（1）最小噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)（低噪聲放大器）1. 設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn) 與 之間的匹

29、配。2. 計(jì)算 3. 設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn) 與 之間的匹配（ ） 在絕對(duì)穩(wěn)定性條件下：（2）最大功率增益設(shè)計(jì)（高增益放大器，驅(qū)動(dòng)功放、功放）3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)在潛在不穩(wěn)定條件下：必須考慮 和 平面上穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)域的范圍，這就必須作出相應(yīng)平面上的穩(wěn)定判別圓來進(jìn)行判別和設(shè)計(jì)。潛在不穩(wěn)定器件設(shè)計(jì)的一般步驟：1.設(shè)計(jì)輸出匹配，選擇輸入口穩(wěn)定的且保證增益要求的L ；2. 計(jì)算出1；3.當(dāng)按最小噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)時(shí) ，當(dāng)按最大功率增益設(shè)計(jì)時(shí) ，計(jì)算出2,并判別穩(wěn)定性圓；4.若輸出口不穩(wěn)定，則重新選擇L ，重復(fù)1、2、3；5.若輸出口穩(wěn)定，則分別設(shè)計(jì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，完成so與s、 Lo與L的

30、匹配轉(zhuǎn)換。3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)匹配電路設(shè)計(jì)3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)阻抗變換型匹配電路并聯(lián)導(dǎo)納型匹配電路例3：?jiǎn)渭?jí)晶體管放大器設(shè)計(jì)：3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的瞬時(shí)傳輸功率都擁有非常寬的幅度變化范圍與很高的均峰比（PAR），包括：CDMA-2000, WCDMA等等。為了滿足線性度的要求，這些大功率功放往往工作點(diǎn)設(shè)置在A或者AB工作模式，并且還需要回退相當(dāng)大的功率來滿足要求。由于通信系統(tǒng)日益小型化與輕量化，也帶動(dòng)了冷卻系統(tǒng)的小型化；這樣就要求功放的效率盡可能的高。為了在更寬的輸出功率范圍內(nèi)“延伸”效率,目前已有多種效率提升

31、技術(shù),如包絡(luò)消除和恢復(fù)技術(shù)( EER) 、動(dòng)態(tài)包絡(luò)跟蹤技術(shù)等,還有漸漸成為研究熱點(diǎn)的Doherty 技術(shù)(結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)器件要求不高)。3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)Doherty功率放大器這一概念是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的William H.Doherty提出的。起初它被應(yīng)用于真空管放大器。鑒于實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單有效，已逐漸高效率功率放大器的研究熱點(diǎn)。Doherty 放大器主要由載波放大器和峰值放大器兩個(gè)功率放大單元組成. 信號(hào)從放大器的輸入端進(jìn)入,經(jīng)過功分器分成兩路分別輸入載波放大器和峰值放大器. 經(jīng)過放大器之后兩路信號(hào)最終在末端直接耦合輸出。Doherty 功率放大器的最主要的特點(diǎn)在于它有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同,

32、靜態(tài)工作點(diǎn)偏置不同的放大單元. 通常將載波放大器設(shè)置成B 類放大器,而峰值放大器的偏置設(shè)置為C 類放大器。3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)C類功放轉(zhuǎn)移特性曲線3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)B類放大器轉(zhuǎn)移特性曲線導(dǎo)通角180導(dǎo)通角小于180由基本電路理論可以知道，當(dāng)電流源2提供零電流的時(shí)候；源1的負(fù)載阻抗等于R；如果源2同樣也提供電流的話,那么負(fù)載電阻R上面的電動(dòng)勢(shì)V將可以如下表示為VL=R(I1+I2)；源2輸出阻抗：Z2= R(I1+I2)/I2;3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)此時(shí)如果I1、I2是同相的，Z2的值會(huì)增大；如果I1、I2是反相的，Z2的值會(huì)變小。把兩個(gè)源換成射頻晶體管，并聯(lián)

33、后的其中一個(gè)的輸出阻抗能夠受到另外一個(gè)偏置電壓的控制。這種方式能夠適用于使用兩個(gè)不同的外圍電路和偏置電路的功放管來構(gòu)成doherty功率放大器動(dòng)態(tài)負(fù)載牽引原理分析3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)大多數(shù)doherty功率放大器的構(gòu)成中需要在主功放和負(fù)載R之間加入一個(gè)阻抗變換器來實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)制的功能雙通道的doherty放大器原理圖其中ZL是Doherty功放的負(fù)載阻抗，Ic和Ip分別代表載波放大器與峰值放大器的基級(jí)電流。Zc和Zp分別為相對(duì)功放的輸出阻抗。3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)四分之波長(zhǎng)阻抗變換線的作用可以被理解成，它可以在主放大器接近飽和的時(shí)候，減小它的輸出阻抗；從而加大了系統(tǒng)的電流，

34、同時(shí)保持了它的效率。主、峰值放大器輸出阻抗3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)經(jīng)典雙通道Dorherty功放框圖理想Doherty功率放大器效率Doherty工作狀態(tài)分析在中功率電平下，主放大器是飽和的，而輔助放大器導(dǎo)通，工作在有源區(qū)域。主功放工作在B 類,當(dāng)輸入信號(hào)比較小的時(shí)候,只有主功放處于工作狀態(tài);當(dāng)管子的輸出電壓達(dá)到峰值飽和點(diǎn)時(shí),理論上的效率能達(dá)到78. 5 %。如果將激勵(lì)加大一倍,那么,管子在達(dá)到峰值的一半時(shí)就出現(xiàn)飽和了,效率也達(dá)到最大的78. 5 % ,此時(shí)輔助功放也開始與主放大器一起工作(C 類) 。輔助功放的引入,使得從主功放的角度看,負(fù)載減小了,所以,即使主功放的輸出電壓飽和恒定,但輸出功率因?yàn)樨?fù)載的減小卻持續(xù)增大。當(dāng)達(dá)到激勵(lì)的峰值時(shí),輔助功放也達(dá)到了效率最大點(diǎn),這樣兩個(gè)功放合在一起的效率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單個(gè)B 類功放的效率。單個(gè)B 類功放的最大效率78. 5 %出現(xiàn)在峰值處, 現(xiàn)在78. 5 %的效率在峰值的一半就出現(xiàn)了3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì) 3.5.3 微波晶體管放大器設(shè)計(jì)Doherty功放單管直流工作點(diǎn)仿真器件選取：MRF210303.5.3 微波晶體