微波電子線路大作業(yè)2

1、微波電子線路大作業(yè)姓名：班級(jí)：021014 學(xué)號(hào)：一 微波雙極結(jié)晶體管BJT原理：電流控制信號(hào)放大。用途：主要用在微波低頻段低包括噪聲放大器，功率放大器，振蕩器等。主要性能指標(biāo)：1 特性頻率： 定義：共發(fā)射極連接時(shí)的短路電流增益時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。 載流子由的渡越時(shí)間 和分別為集區(qū)和集電極耗盡層的渡越時(shí)間 和則分別為發(fā)射極和集電極電容充電的時(shí)間常數(shù) 為了提高應(yīng)該 減少發(fā)射極面積 減少基區(qū)帶寬 提高載流子飄移速度。工作機(jī)理決定了雙極晶體管的工作頻率不可能太高。主要用在2GHZ以下。2 最小噪聲系數(shù)：) 3 單向功率增益及最大振蕩頻率。 時(shí)對(duì)應(yīng) 由上可知，提高是提高管子性能的關(guān)鍵。4 功率特性：電壓限

2、制：雪崩擊穿電壓BUCEO或BUCBO，提高反向耐壓有一定的限度。電流限制：集電極最大電流ICM，增大集電極電流需要增大結(jié)面積或增大發(fā)射結(jié)電流密度，工藝受限。功率限制：最大耗散功率PCM，如果產(chǎn)生的熱量不能全部散發(fā)出去，會(huì)使結(jié)溫不斷升高，最終導(dǎo)致熱擊穿，將器件燒毀。二 場(chǎng)效應(yīng)管FET場(chǎng)效應(yīng)管依柵極溝道結(jié)的類型分為：JFET（結(jié)型）、IGFET（絕緣柵）、MESFET（金屬半導(dǎo)體界）。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)襯底生成N層，兩邊歐姆接觸形成源極和漏極中間在N層上形成金屬半導(dǎo)體結(jié)，作為柵極。工作原理：源極接負(fù)，漏極接正極，柵極接負(fù)偏壓和控制電壓。主要性能參數(shù)：1 特性頻率：gm0跨導(dǎo) Cgs柵源間電容 T渡越時(shí)間

3、 為了提高fT應(yīng)使T（LgLg為柵寬）2 單向功率增益和最大振蕩頻率。 3 噪聲系數(shù)： P.R.C.為參數(shù)與尺寸偏壓有關(guān)。 fTfF4 功率特性：MESFET必須工作在由最大漏極電流IDmax、最大柵源電壓UGSmax和最大漏源電壓UDSmax所局限的區(qū)域中。最大耗散功率PCM由UDS和ID的乘積決定，即PCM= UDSID。三 微波晶體管的S參量工作在微波波段的晶體管，其內(nèi)部參數(shù)是一種分布參數(shù)，對(duì)于某特定頻率可以用集總參量來(lái)等效，但是用這種等效電路進(jìn)行分析很難得到一個(gè)明確的結(jié)論，且計(jì)算繁瑣，也很難測(cè)得等效電路各參數(shù)值。因此這種等效電路可以用來(lái)說(shuō)明微波晶體管工作的物理過(guò)程，但不便用來(lái)計(jì)算。為便

4、于工程應(yīng)用，常把在小信號(hào)工作狀態(tài)下的微波晶體管看成一個(gè)線性有源二端口網(wǎng)絡(luò)，并采用S參數(shù)來(lái)表征微波晶體管的外部特性。ZL根據(jù)S參數(shù)定義得到晶體管放大器簡(jiǎn)化框圖如圖所示。根據(jù)S參數(shù)與阻抗、反射系數(shù)之間的關(guān)系，可以導(dǎo)出：輸入阻抗為 輸出阻抗為1微波晶體管放大器的功率增益1. 實(shí)際功率增益式中：。功率增益與晶體管S參數(shù)及負(fù)載反射系數(shù)有關(guān)，因此利用此式便于研究負(fù)載的變化對(duì)放大器功率增益的影響。2. 轉(zhuǎn)換功率增益轉(zhuǎn)換功率增益表示插入放大器后負(fù)載上得到的功率比無(wú)放大器時(shí)得到的最大功率所增加的倍數(shù)。它的大小與輸入端和輸出端匹配的程度有關(guān)。當(dāng)輸入端、輸出端都滿足傳輸線匹配時(shí)，即，則由上式可知。此式說(shuō)明的晶體管自

5、身參數(shù)的物理意義，但這樣并未充分發(fā)揮晶體管用作放大器的潛力。只有共軛匹配才能傳輸最大功率，即滿足時(shí)，稱為雙共軛匹配。3. 資用功率增益式中。上式表明，資用功率增益只與晶體管S參數(shù)及信源阻抗有關(guān)。此式便于研究信源阻抗變換對(duì)放大器功率增益的影響。實(shí)際上，放大器在輸入端、輸出端都滿足共軛匹配的條件比較困難，只表示放大器功率增益的一種潛力。4. 三種功率增益之間的關(guān)系式中：分別為輸入端和輸出端的失配系數(shù)。容易證明一般情況下，,所，雙共軛匹配時(shí)，此時(shí)，。2 微波晶體管放大器的穩(wěn)定性保證放大器穩(wěn)定工作是設(shè)計(jì)微波放大器最根本的原則。由于微波晶體管的作用會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部反饋，可能使放大器工作不穩(wěn)定而導(dǎo)致自激，為此必

6、須研究在什么條件下放大器才能穩(wěn)定地工作，通常根據(jù)穩(wěn)定性程度的不同可分為兩類：（1）絕對(duì)穩(wěn)定或稱無(wú)條件穩(wěn)定：在這種情況下，負(fù)載阻抗和源阻抗可以任意選擇，放大器均能穩(wěn)定地工作。（2）潛在不穩(wěn)定或稱有條件穩(wěn)定：在這種情況下，負(fù)載阻抗和源阻抗只有在特定的范圍內(nèi)選擇，放大器才不致產(chǎn)生自激。理論上分析放大器能否產(chǎn)生自激可從放大器的輸入端或輸出端是否等效為負(fù)阻來(lái)進(jìn)行判斷。根據(jù)放大器輸入阻抗與反射系數(shù)的模值關(guān)系，得到式中：。當(dāng)時(shí)，放大器產(chǎn)生自激；當(dāng)時(shí)，放大器工作穩(wěn)定。同樣，對(duì)放大器輸出端口，當(dāng)，放大器工作不穩(wěn)定；反之放大器工作穩(wěn)定。因此，與1的大小關(guān)系為放大器工作是否穩(wěn)定的判據(jù)。保證晶體管放大器兩個(gè)端口都絕對(duì)

7、穩(wěn)定，兩端口網(wǎng)絡(luò)的輸入端和輸出端絕對(duì)穩(wěn)定的充要條件為實(shí)際上可以證明，若K1成立，則一定同時(shí)大于或同時(shí)小于，因此只需滿足（1）（2）或（1）（3）就能作為晶體管雙口網(wǎng)絡(luò)絕對(duì)穩(wěn)定性的充要條件。3 微波晶體管放大器的噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是小信號(hào)微波放大器的另一重要性能指標(biāo)，前面分析器件的噪聲特性時(shí)，僅從本征晶體管的等效電路出發(fā)，沒(méi)有考慮寄生參量的影響。但考慮寄生參量后，再用等效電路來(lái)計(jì)算實(shí)際放大器的噪聲系數(shù)就變得很復(fù)雜。因此仍用等效二端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)研究放大器的噪聲系數(shù)，以及噪聲系數(shù)和阻抗源的關(guān)系。根據(jù)噪聲系數(shù)定義：可見(jiàn)，放大器在信源導(dǎo)納一定的情況下，其網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)由等下噪聲電阻、等效噪聲電導(dǎo)、相關(guān)導(dǎo)納和四個(gè)

8、參量決定。這些噪聲參量完全取決于有源二端口網(wǎng)絡(luò)自身的噪聲特性，與網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)和工作頻率有關(guān)，而與外電路無(wú)關(guān)。噪聲系數(shù)的大小與信源導(dǎo)納有關(guān)，對(duì)于固有的有源網(wǎng)絡(luò)，如果改變?cè)?的導(dǎo)納，則可獲得最小噪聲系數(shù)為對(duì)于任意源，導(dǎo)納噪聲系數(shù)的表達(dá)式為式中四個(gè)參量為等效噪聲電阻、最小噪聲系數(shù)、最佳源電導(dǎo)和電納，均可以通過(guò)測(cè)量來(lái)確定。當(dāng)F=常數(shù)時(shí)，的二次方程：四 小信號(hào)微波晶體管放大器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)微波放大器的過(guò)程就是根據(jù)應(yīng)用條件、技術(shù)指標(biāo)要求完成以下步驟：首先選擇合適的晶體管。然后確定，再設(shè)計(jì)能夠給出的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，最后用合適的微波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，目前主要是采用微帶電路。 上圖為小信號(hào)微波晶體管放大器的典型模型。微波

9、晶體管放大器的設(shè)計(jì)按最大增益和最小噪聲的出發(fā)點(diǎn)不同，匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法也不同。下面分別進(jìn)行討論。1. 高增益放大器設(shè)計(jì)（1） 單向化設(shè)計(jì)單向化轉(zhuǎn)換功率增益為當(dāng)晶體管輸入輸出兩端口都滿足共軛匹配，獲得最大單向轉(zhuǎn)換功率增益為實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，0.12，則計(jì)算功率增益誤差不超過(guò)1dB。（2） 非單向化設(shè)計(jì)雙共軛匹配的條件為 式中： 經(jīng)過(guò)分析可知，在放大器絕對(duì)穩(wěn)定的條件下進(jìn)行雙共軛匹配設(shè)計(jì)時(shí)，和都取帶負(fù)號(hào)的解，這樣將S參數(shù)帶入后，即可求得一組、的源和負(fù)載反射系數(shù)，并以此作為設(shè)計(jì)輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的依據(jù)。此外，設(shè)計(jì)放大器可先做穩(wěn)定圓，畫出潛在的不穩(wěn)定區(qū)域，然后利用等增益圓和等噪聲系數(shù)圓進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)步驟如下：（1） 畫出臨界圓和單位圓，確定穩(wěn)定區(qū)。（2） 畫出等增益圓和等噪聲系數(shù)圓。（3） 在等噪聲系數(shù)圓的穩(wěn)定區(qū)取可滿足噪聲要求。（4） 在等增益圓的穩(wěn)定區(qū)取可滿足增益要求。（5） 用微波的方法實(shí)現(xiàn)，主要采用微帶電路。2. 低