微波與射頻技術(shù)學(xué)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(hào)放大到一定功率電平的大信號(hào)，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(shè)計(jì)過(guò)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(diào)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(shè)計(jì)過(guò)程基于晶微波放大器微波放大器主要技術(shù)指標(biāo)：1、工作頻率f0，工作帶寬（絕對(duì)帶寬，相對(duì)帶寬）2、輸入、輸出駐波系數(shù)3、功率增益，帶內(nèi)增益波動(dòng)4、噪聲系數(shù)5、輸出功率Pout,帶內(nèi)功率波動(dòng)6、直流到射頻效率ηdc和功率附加效率ηa7、P1dB8、ICP39、穩(wěn)定性、負(fù)載特性（抗失配特性）微波放大器微波放大器主要技術(shù)指標(biāo)：3放大器電路結(jié)構(gòu)形式：1、單管放大器微波放大器簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)；增益不高，輸出功率不大。放大器電路結(jié)構(gòu)形式：微波放大器簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)；增益不高，輸出功率42、級(jí)聯(lián)放大器微波放大器源輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)極間匹配網(wǎng)絡(luò)極間匹配網(wǎng)絡(luò)ZgFETFETZL最常用的放大器電路形式，技術(shù)指標(biāo)一般。2、級(jí)聯(lián)放大器微波放大器源輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)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(dá)十個(gè)甚至數(shù)十個(gè)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(jì)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(hào)S參數(shù)，有微波低噪聲放大器已知晶體管器件小信號(hào)S參數(shù)，有1.實(shí)際功率增益

2.轉(zhuǎn)換功率增益

3.資用功率增益

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

8.1.2PowerGainForAUnilateralTransistor

晶體管輸入網(wǎng)絡(luò)輸出網(wǎng)絡(luò)[A]1,[A]2,[A]3…,[S],……,[A]m-2[A]m-1,[[A]m微波低噪聲放大器對(duì)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(duì)噪聲源進(jìn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)最大增益放大器的步驟：St

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

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

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

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

使用LC匹配元件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(luò)：

，

微波低噪聲放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò)：，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(yīng)用微帶并聯(lián)支路去設(shè)計(jì)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(yīng)用微帶并聯(lián)支路去設(shè)計(jì)f=4輸入匹配網(wǎng)絡(luò)：

微波低噪聲放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)：輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

微波低噪聲放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò)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(luò)輸入和輸出絕對(duì)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(gè)點(diǎn)2.該圓穿過(guò)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(gè)點(diǎn)2.該圓穿過(guò)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(shè)計(jì)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(lái)，這時(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)300M-600MHz的10dB的寬帶放大器微波低噪聲放大器例5設(shè)計(jì)300M-600MHz的10dB的寬帶放大器對(duì)于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，有：對(duì)于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，有：

補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)的用途是獲得平坦的增益，缺點(diǎn)是電路輸入、輸出駐波過(guò)大.

微波低噪聲放大器對(duì)于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，有：對(duì)于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，有：平衡放大器增益較平坦，輸入駐波小代價(jià)是兩個(gè)耦合器和兩個(gè)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(gè)平衡放大器的增益等同于每一個(gè)單獨(dú)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(gè)平衡放大器的增益等同于每一個(gè)單獨(dú)的放大器負(fù)反饋電路在寬帶放大器中的應(yīng)用:微波低噪聲放大器負(fù)反饋電路在寬帶放大器中的應(yīng)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(duì)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(duì)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(shè)計(jì)過(guò)程

低噪聲放大器（LNA）的設(shè)計(jì)包括如下幾個(gè)方面：器件的選擇、電路形式的確定、匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、偏置電路的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo) 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(shè)計(jì)過(guò)程1 設(shè)計(jì)目標(biāo)微波低2有源器件的選擇

前級(jí)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(gè)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(hào)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(luò)的設(shè)計(jì)

3.4.1

晶體管穩(wěn)定性判斷

K>1，且

3.4.2匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

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

微波低噪聲放大器5偏置電路的設(shè)計(jì)、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(jié)果

噪聲系數(shù)的仿真結(jié)果

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

微波低噪聲放大器7 微波低噪聲放大器的實(shí)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(hào)FET放大器的非線性分析

微波低噪聲放大器8.2小信號(hào)FET放大器的非線性分析微波低噪聲放大器有四個(gè)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(qiáng)非線性微波低噪聲放大器有四個(gè)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(diào)飽和微波低噪聲放大器AM/PM變換、交調(diào)→用Volterra級(jí)數(shù)法進(jìn)行分析。飽和特性、諧波→用諧波平衡法或Volterra級(jí)數(shù)法進(jìn)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(lì)信號(hào)輸出響應(yīng)電流：微波低噪聲放大器激勵(lì)信號(hào)輸出響應(yīng)電流：1.飽和和AM/PM變換

相對(duì)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?jǐn)?shù)偏差。微波低噪聲放大器1.飽和和AM/PM變換相對(duì)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(gè)諧波也可能有一個(gè)高階頻率分量。例如，二階諧波可能包括一個(gè)四階分量，即第n階諧波的最低階分量的相對(duì)畸變是在線性工作狀態(tài)時(shí)有微波低噪聲放大器一個(gè)諧波也可能有一個(gè)高階頻率分量。例如，二3．交調(diào)畸變

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

研究把放大器設(shè)計(jì)成具有最佳線性的問(wèn)題1.MESFET的直流偏置為什么會(huì)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(fù)載阻抗才能把交調(diào)減到最小？3.如何設(shè)計(jì)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(nèi)優(yōu)化放大器的線性？4.二階交調(diào)頻率的MESFET源和負(fù)載端接的影響是什么？5.MESFET的哪一種非線性對(duì)FET放大器交調(diào)性能影響最強(qiáng)烈？能否設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，S參數(shù)是：8.3.2偏置對(duì)線性的影響

改善FET放大器線性的一個(gè)主要方法是增加其直流漏電流（但這會(huì)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(duì)線性的影響改善FET放大器8.3.3源和負(fù)載阻抗對(duì)線性的影響

優(yōu)化線性時(shí)，源和負(fù)載阻抗的選取一直是FET放大器設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，恰當(dāng)?shù)剡x取這兩個(gè)阻抗，特別是對(duì)負(fù)載阻抗的選取，對(duì)微波和毫米波放大器的輸出遮斷點(diǎn)將產(chǎn)生極大的影響。微波低噪聲放大器8.3.3源和負(fù)載阻抗對(duì)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(duì)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(duì)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(fù)載端接對(duì)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(fù)載端接對(duì)線性的影響微波低噪8.3.6各個(gè)非線性元件對(duì)線性的影響微波低噪聲放大器8.3.6各個(gè)非線性元件對(duì)線性的影響微波低噪聲放大器8.3.7結(jié)論

在優(yōu)化放大器線性過(guò)程中，的選取是十分重要的?？刂品糯笃鹘徽{(diào)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(jié)論在優(yōu)化放大器線性過(guò)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)→僅計(jì)算小信號(hào)參量，準(zhǔn)線性理論。 ②諧波平衡法→計(jì)算大小信號(hào)的非線性參量。設(shè)計(jì)任務(wù)：①選擇合適的FET類功率器件。 ②選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)：甲、乙、甲乙或丙類。 ③求解合適的源和負(fù)載阻抗，實(shí)現(xiàn)共軛匹配。 ④選擇偏置點(diǎn)，得到最佳的輸出功率和效率。 ⑤諧波平衡法驗(yàn)證：輸出功率、飽和、諧波，并調(diào)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(gè)因素：1、漏—柵擊穿電壓 →柵長(zhǎng)加大（輸入電容和跨導(dǎo)）→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(dǎo)差，要求管芯→管殼→電路腔體的熱阻小，腔體可采用風(fēng)冷和液冷散熱。散熱特性還會(huì)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(fù)）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(fù)）夾短電壓Vt＝－84非線性電路與系統(tǒng)工作類型導(dǎo)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(qiáng)微波功率放大器非線性電路與系統(tǒng)工作類型導(dǎo)通角效率％甲類（A類）85可見： 對(duì)于等幅連續(xù)波信號(hào)放大器，要求非線性失真小時(shí)，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(duì)于乙類工作狀態(tài)，導(dǎo)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(wú)輸入信號(hào)時(shí)，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(wú)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(shè)計(jì)包括：

1、準(zhǔn)確的有源器件建模（大信號(hào)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(shí)現(xiàn)。功放的關(guān)鍵參數(shù)是它的線性度：包括P1dB，三階交截點(diǎn)，三階和高階互調(diào)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(shí)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(shè)計(jì)包括：功放的關(guān)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(zhuǎn)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(fù)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(diǎn)的變化直接比例于轉(zhuǎn)移函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)（一般情況下是偶階導(dǎo)致）；2.如果三階導(dǎo)數(shù)（一般情況是奇數(shù)）等于零，則器件轉(zhuǎn)移函數(shù)是線性的；3.偶次諧波分量是轉(zhuǎn)移特性中偶次導(dǎo)數(shù)項(xiàng)作用的結(jié)果，而奇次諧波分量則是奇次導(dǎo)數(shù)項(xiàng)作用的結(jié)果；4.一階混合產(chǎn)物（和、差、產(chǎn)物）的產(chǎn)生是以偶階導(dǎo)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(zhuǎn)移特性的二階導(dǎo)數(shù)（幅度的二次方）決定的失真稱為二階互調(diào)失真，由三階導(dǎo)數(shù)（幅度的三次方）決定的失真稱為三階互調(diào)失真。微波功率放大器1.器件偏置點(diǎn)的變化直接比例于轉(zhuǎn)移函數(shù)的二階導(dǎo)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(dāng)θ＞90°時(shí)，那么cosθ＜0，Iq＞0,對(duì)應(yīng)于AB類工作模式；2.當(dāng)θ=90°時(shí)，那么cosθ=0，Iq=0，對(duì)應(yīng)于B類工作模式；3.當(dāng)θ＜90°時(shí)，那么cosθ＞0，Iq＜0，對(duì)應(yīng)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(shí)際的微波功放電路圖

微波功率放大器§9.4實(shí)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(shè)計(jì)

一、甲類放大器的近似設(shè)計(jì)

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

理想乙類放大器的負(fù)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(shè)計(jì)理想107三、設(shè)計(jì)舉例和性能研究

微波功率放大器三、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)甲類功率放大器首先確定負(fù)載阻抗。由漏I/V特性及負(fù)載線可以得到Vmax＝14.7V，Vmin＝1.3V，Imax＝500mA，Imin＝40mA，Idd＝270mA。其負(fù)載阻抗是ZL＝9.3+j13.5微波功率放大器例１設(shè)計(jì)甲類功率放大器首先確定負(fù)載阻抗。由漏I/V特性及110首先必須求偏置點(diǎn)處的Cgs，從圖得到Vg＝-0.7V,則諧波平衡分析表明，在1dB壓縮點(diǎn)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(shí)的功率電平）是29.2dBm，在這個(gè)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(diǎn)處的Cgs，從圖得到Vg＝-0.7V,則111優(yōu)化設(shè)計(jì)包括依經(jīng)驗(yàn)調(diào)整負(fù)載阻抗使輸出功率最大；調(diào)整柵偏壓使功率和功率最佳；在額定輸出時(shí)確定輸入阻抗，再把源阻抗調(diào)整到其共軛值。經(jīng)優(yōu)化所得到的幾個(gè)參數(shù)是：最佳負(fù)載ZL=9.0+j2.0Ω，在1dB壓縮點(diǎn)時(shí)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(diǎn)時(shí)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(shí)為290mA，直流功率為2.3W。微波功率放大器優(yōu)化設(shè)計(jì)包括依經(jīng)驗(yàn)調(diào)整負(fù)載阻抗使輸出功率最大；調(diào)整112例2設(shè)計(jì)乙類功率放大器。首先討論偏置電壓。設(shè)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(diào)整到Vgg=-2.0V。第二步，假設(shè)諧波源和負(fù)載阻抗是短路的，因此，只討論基波源和負(fù)載阻抗的選取問(wèn)題。選用甲類放大器的負(fù)載阻抗作為乙類放大器的負(fù)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(shè)計(jì)。

微波功率放大器例2設(shè)計(jì)乙類功率放大器。首先討論偏置電壓。設(shè)漏極偏置113一般來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)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(fù)載阻抗不為零時(shí)所產(chǎn)生的影響

上面兩個(gè)例子中，假設(shè)諧波源和負(fù)載阻抗均為零，實(shí)際上這是不可能的。乙類放大器對(duì)諧波端接更敏感。微波功率放大器四、諧波源和負(fù)載阻抗不為零時(shí)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(duì)放大器的輸出功率的影響非常小，諧波頻率源阻抗對(duì)增益沒(méi)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(duì)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(gè)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(luò)非線性子網(wǎng)絡(luò)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(gè)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(shù) 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(qiáng)非線性特性，使得輸出的信號(hào)具有很強(qiáng)的非線性產(chǎn)物，失真相當(dāng)嚴(yán)重，包括三階交調(diào)、諧波、AM/PM變換和群時(shí)延失真等等。以三階交調(diào)為例，三階交調(diào)惡化1dB（三階交調(diào)遮斷點(diǎn)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(diào)造成的誤碼率尤為嚴(yán)重和突出，并且其他非線性產(chǎn)物有一定的相關(guān)性，所以在同等輸出功率條件下，改善三階交調(diào)失真特性，即提高三階交調(diào)遮斷點(diǎn)功率成為微波功放線性化技術(shù)的核心和主要工作內(nèi)容。 現(xiàn)代數(shù)字通信中，不僅關(guān)注發(fā)射機(jī)輸出功率大小，更關(guān)注三階交調(diào)失真和功放效率。微波功放線性化技術(shù) 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(shù)激勵(lì)輸入響應(yīng)輸出輸出三階交調(diào)與Vs3成正比，線性輸出與Vs成正比。Vs很小時(shí)，,近似認(rèn)為是線性的，即與Pout的特性幾乎一致；Vs較大時(shí)，P（ω1）被壓縮。微波功放線性化技術(shù)激勵(lì)輸入響應(yīng)輸出輸出三階交調(diào)與Vs3成正比122在三階交調(diào)功率遮斷點(diǎn)，有Pout=P（2ω1-ω2），的IP3取R=50Ω微波功放線性化技術(shù)在三階交調(diào)功率遮斷點(diǎn)，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(shù)的目的是：IP3-P1dB=C>10.63（dBm）微波功放線性化技術(shù)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(shù)的幾種措施：1、功率倒（回）退法：

Pin減小1dB，三階交調(diào)改善3dB，而線性輸出功率僅減小1dB，即采用減小Pin來(lái)改善線性。簡(jiǎn)單、方便，但代價(jià)高、成本大。2、負(fù)反饋法： PAB輸入輸出+=PAB輸出 物理概念清楚和電路簡(jiǎn)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(shù)功放線性化技術(shù)的幾種措施：1、功率倒（回）退法：PAB輸入輸1253、預(yù)失真NGPA輸入輸出分?jǐn)?shù)字預(yù)失真和模擬預(yù)失真，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，能改善十多dBc，常用于小型移動(dòng)通信終端。預(yù)失真器可在中頻實(shí)現(xiàn)。4、前饋法PANG+=輸入輸出NGPA輸出電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，改善大，可達(dá)60dBc，常用于基站。微波功放線性化技術(shù)3、預(yù)失真NGPA輸入輸出分?jǐn)?shù)字預(yù)失真和模擬預(yù)失真，結(jié)構(gòu)相對(duì)126§9.5功率放大器線性化技術(shù)

一、前饋線性化技術(shù)

微波功放線性化技術(shù)§9.5功率放大器線性化技術(shù)一、前饋線性化技術(shù)微波功放127微波功放線性化技術(shù)微波功放線性化技術(shù)128微波功放線性化技術(shù)微波功放線性化技術(shù)129前饋線性化技術(shù)應(yīng)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(nèi)相位變化5°。使用MRF6404器件，在雙音測(cè)試信號(hào)測(cè)量下，功率放大器的三階互調(diào)分量?jī)H為-24dBc。結(jié)果，第一個(gè)線性化環(huán)抵消性能為45dB，實(shí)行前饋功率放大器后，三階互調(diào)分量減小到-61dBc。

微波功放線性化技術(shù)前饋線性化技術(shù)應(yīng)用于1.885GHZ的功率放大器130二、預(yù)失真線性化技術(shù)

微波功放線性化技術(shù)二、預(yù)失真線性化技術(shù)微波功放線性化技術(shù)131一個(gè)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(shí)的相位偏移達(dá)-10°。微波功放線性化技術(shù)一個(gè)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(dǎo)gm，柵-源電容Cgs和漏電-源電導(dǎo)Gds的非線性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于具有柵極寬度1.2mm，在Ls=20nH時(shí)，gm的非線性貢獻(xiàn)的是正的幅度偏移。同時(shí)，只要Ls≥3NH，gm和Gds的非線性貢獻(xiàn)是負(fù)的相位偏移。應(yīng)用這種技術(shù)到1.9GHZ具有1dB壓縮功率為17dBm的MMIC功率放大器，當(dāng)使用Ω/4相移正交相位鍵控信號(hào)（QPSK）時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)改善ACPR達(dá)7dB。微波功放線性化技術(shù)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(shí)現(xiàn)正規(guī)的幅度和負(fù)的相位偏移微波功放線性化技術(shù)PowerAmplifier只有使用具有零漏134PowerAmplifier在1.9GHZ的MMIC功率放大器中，應(yīng)用這種線性化器，對(duì)QPSK調(diào)制信號(hào)可實(shí)現(xiàn)ACPR改善高達(dá)5dB。微波功放線性化技術(shù)PowerAmplifier在1.9GH135PowerAmplifier微波功放線性化技術(shù)PowerAmplifier微波功放線性化技術(shù)136PowerAmplifier微波功放線性化技術(shù)PowerAmplifier微波功