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：021014 學(xué)號：一 微波雙極結(jié)晶體管BJT原理：電流控制信號放大。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：1 特性頻率： 定義：共發(fā)射極連接時的短路電流增益時所對應(yīng)的頻率。 載流子由的渡越時間 和分別為集區(qū)和集電極耗盡層的渡越時間 和則分別為發(fā)射極和集電極電容充電的時間常數(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。 時對應(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，會使結(jié)溫不斷升高，最終導(dǎo)致熱擊穿，將器件燒毀。二 場效應(yīng)管FET場效應(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，漏極接正極，柵極接負偏壓和控制電壓。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)，對于某特定頻率可以用集總參量來等效，但是用這種等效電路進行分析很難得到一個明確的結(jié)論，且計算繁瑣，也很難測得等效電路各參數(shù)值。因此這種等效電路可以用來說明微波晶體管工作的物理過程，但不便用來計算。為便

4、于工程應(yīng)用，常把在小信號工作狀態(tài)下的微波晶體管看成一個線性有源二端口網(wǎng)絡(luò)，并采用S參數(shù)來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. 實際功率增益式中：。功率增益與晶體管S參數(shù)及負載反射系數(shù)有關(guān)，因此利用此式便于研究負載的變化對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載上得到的功率比無放大器時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)。當輸入端、輸出端都滿足傳輸線匹配時，即，則由上式可知。此式說明的晶體管自

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，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放大器功率增益的影響。實際上，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，此時，。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)計微波放大器最根本的原則。由于微波晶體管的作用會產(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）絕對穩(wěn)定或稱無條件穩(wěn)定：在這種情況下，負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阻來進行判斷。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：。當時，放大器產(chǎn)生自激；當時，放大器工作穩(wěn)定。同樣，對放大器輸出端口，當，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端口都絕對

7、穩(wěn)定，兩端口網(wǎng)絡(luò)的輸入端和輸出端絕對穩(wěn)定的充要條件為實際上可以證明，若K>1成立，則一定同時大于或同時小于，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)是小信號微波放大器的另一重要性能指標，前面分析器件的噪聲特性時，僅從本征晶體管的等效電路出發(fā)，沒有考慮寄生參量的影響。但考慮寄生參量后，再用等效電路來計算實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，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)

8、納和四個參量決定。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)，而與外電路無關(guān)。噪聲系數(shù)的大小與信源導(dǎo)納有關(guān)，對于固有的有源網(wǎng)絡(luò)，如果改變源 的導(dǎo)納，則可獲得最小噪聲系數(shù)為對于任意源，導(dǎo)納噪聲系數(shù)的表達式為式中四個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，均可以通過測量來確定。當F=常數(shù)時，的二次方程：四 小信號微波晶體管放大器的設(shè)計設(shè)計微波放大器的過程就是根據(jù)應(yīng)用條件、技術(shù)指標要求完成以下步驟：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)實現(xiàn)，目前主要是采用微帶電路。 上圖為小信號微波晶體管放大器的典型模

9、型。微波晶體管放大器的設(shè)計按最大增益和最小噪聲的出發(fā)點不同，匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法也不同。下面分別進行討論。1. 高增益放大器設(shè)計（1） 單向化設(shè)計單向化轉(zhuǎn)換功率增益為當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)換功率增益為實際設(shè)計時，0.12，則計算功率增益誤差不超過1dB。（2） 非單向化設(shè)計雙共軛匹配的條件為 式中： 經(jīng)過分析可知，在放大器絕對穩(wěn)定的條件下進行雙共軛匹配設(shè)計時，和都取帶負號的解，這樣將S參數(shù)帶入后，即可求得一組、的源和負載反射系數(shù)，并以此作為設(shè)計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的依據(jù)。此外，設(shè)計放大器可先做穩(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)圓進行設(shè)計。設(shè)計步驟如下：（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） 用微波的方法實現(xiàn)，主要采用微帶電路。2.