微波电子线路大作业2

微波电子线路大作业

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班级：021014

学号：

一 微波双极结晶体管BJT

原理：电流控制信号放大。

用途：主要用在微波低频段低包括噪声放大器，功率放大器，振荡器等。

主要性能指标：

1 特性频率T f ： 定义：共发射极连接时的短路电流增益()

1ef h =时所对应的频率。

1

2T T ec

f ωπτ==

ec

τ载流子由

e ε

→的渡越时间

ec b e c cd τττττ=+++

和cd τ分别为集区和集电极耗尽层的渡越时间 和c τ则分别为发射极和集电极电容充电的时间常数

1135T f f ??

=- ???

为了提高f τ应该 ①减少发射极面积 ②减少基区带宽 ③提高载流子

飘移速度。

工作机理决定了双极晶体管的工作频率不可能太高。主要用在2GHZ 以下。 2

最小噪声系数：min

1(1F h =++2

'0.04c b T f h I r f ??= ???

3 单向功率增益及最大振荡频率。 2'

8T

b c

f U f r c π=

1U =时对应

max f =

由上可知，提高T f 是提高管子性能的关键。

4 功率特性：电压限制：雪崩击穿电压BU CEO 或BU CBO ，提高反向耐压有一定的限度。电流限制：集电极最大电流I CM ，增大集电极电流需要增大结面积或增大发射结电流密度，工艺受限。功率限制：最大耗散功率P CM ，如果产生的热量不能全部散发出去，会使结温不断升高，最终导致热击穿，将器件烧毁。

二 场效应管FET

场效应管依栅极沟道结的类型分为：JFET （结型）、IGFET （绝缘栅）、MESFET （金属—半导体界）。

结构：结构衬底生成N 层，两边欧姆接触形成源极和漏极中间在N 层上形成金属半导体结，作为栅极。

工作原理：源极接负，漏极接正极，栅极接负偏压和控制电压。

主要性能参数：

1 特性频率：()1

022m T gs g f C τπτπ-=

=g m0跨导 C gs 栅—源间电容 τT 渡越时间g T s

L V τ∝ 为

了提高f T 应使τT ↓（L g ↓L g 为栅宽）

2 单向功率增益和最大振荡频率。

2

2max 14ds v T g s gs R f G f f R R R f ??=≈ ?++??

max f =3 噪声系数：

min 1F =+ Q C RP

= P.R.C.为参数与尺寸偏压有关。

2

min

2(1

m gs

T

f

F F g R P

f

?

=+-?

?

f T↑

f↓→F↓

4 功率特性：MESFET必须工作在由最大漏极电流ID

max

、最大栅源电压U

GSmax

和最大漏源电压

U

DSmax

所局限的区域中。最大耗散功率P

CM

由U

DS

和I

D

的乘积决定，即P

CM

= U

DS

I

D

。

三微波晶体管的S参量

工作在微波波段的晶体管，其内部参数是一种分布参数，对于某特定频率可以用集总参量来等效，但是用这种等效电路进行分析很难得到一个明确的结论，且计算繁琐，也很难测得等效电路各参数值。因此这种等效电路可以用来说明微波晶体管工作的物理过程，但不便用来计算。

为便于工程应用，常把在小信号工作状态下的微波晶体管看成一个线性有源二端口网络，并采用S参数来表征微波晶体管的外部特性。

根据S 参数定义得到

Z L

晶体管放大器简化框图如图所示。根据S参数与阻抗、反射系数之间的关系，可以导出：

输入阻抗为输出阻抗为

1微波晶体管放大器的功率增益

1.实际功率增益

式中：。功率增益与晶体管S参数及负载反射系数有关，因此利用此式便于研究负载的变化对放大器功率增益的影响。

2.转换功率增益

转换功率增益表示插入放大器后负载上得到的功率比无放大器时得到的最大功率所

增加的倍数。它的大小与输入端和输出端匹配的程度有关。当输入端、输出端都满足传输线匹配时，即，则由上式可知。此式说明的晶体管自身参数的物理意义，但这样并未充分发挥晶体管用作放大器的潜力。只有共轭匹配才能传输最大功率，即满足时，称为双共轭匹配。

3.资用功率增益

式中。上式表明，资用功率增益只与晶体管S参数及信源阻抗有关。

此式便于研究信源阻抗变换对放大器功率增益的影响。实际上，放大器在输入端、输出端都满足共轭匹配的条件比较困难，只表示放大器功率增益的一种潜力。

4.三种功率增益之间的关系

式中：分别为输入端和输出端的失配系数。容易证明

一般情况下，,所，双共轭匹配时，，此时，。

2微波晶体管放大器的稳定性

保证放大器稳定工作是设计微波放大器最根本的原则。由于微波晶体管的作用会产

生内部反馈，可能使放大器工作不稳定而导致自激，为此必须研究在什么条件下放大器才能稳定地工作，通常根据稳定性程度的不同可分为两类：

（1）绝对稳定或称无条件稳定：在这种情况下，负载阻抗和源阻抗可以任意选择，放大器均能稳定地工作。

（2）潜在不稳定或称有条件稳定：在这种情况下，负载阻抗和源阻抗只有在特定的范围内选择，放大器才不致产生自激。

理论上分析放大器能否产生自激可从放大器的输入端或输出端是否等效为负阻来进行判断。根据放大器输入阻抗与反射系数的模值关系，得到

式中：。当时，，放大器产生自激；当时，，

放大器工作稳定。同样，对放大器输出端口，当，放大器工作不稳定；反之放大

器工作稳定。因此，与1的大小关系为放大器工作是否稳定的判据。

保证晶体管放大器两个端口都绝对稳定，两端口网络的输入端和输出端绝对稳定的充要条件为

实际上可以证明，若K>1成立，则一定同时大于或同时小于

，因此只需满足（1）（2）或（1）（3）就能作为晶体管双口网络绝对稳定性的充要

条件。

3 微波晶体管放大器的噪声系数

噪声系数是小信号微波放大器的另一重要性能指标，前面分析器件的噪声特性时，仅从本征晶体管的等效电路出发，没有考虑寄生参量的影响。但考虑寄生参量后，再用等效电路来计算实际放大器的噪声系数就变得很复杂。因此仍用等效二端口网络来研究放大器的噪声系数，以及噪声系数和阻抗源的关系。

根据噪声系数定义：

可见，放大器在信源导纳一定的情况下，其网络噪声系数由等下噪声电阻、等效噪

声电导、相关导纳和四个参量决定。这些噪声参量完全取决于有源二端口网络自身

的噪声特性，与网络工作状态和工作频率有关，而与外电路无关。

噪声系数的大小与信源导纳有关，对于固有的有源网络，如果改变源的导纳，则可获

得最小噪声系数为

对于任意源，导纳噪声系数的表达式为

式中四个参量为等效噪声电阻、最小噪声系数、最佳源电导和电纳，均可以通过测量来确定。

当F=常数时，的二次方程：

四小信号微波晶体管放大器的设计设计微波放大器的过程就是根据应用条件、技术指标要求完成以下步骤：首先选择合适的晶体管。然后确定，再设计能够给出的输入输出匹配网络，最后用合适的微波结构实现，目前主要是采用微带电路。

上图为小信号微波晶体管放大器的典型模型。

微波晶体管放大器的设计按最大增益和最小噪声的出发点不同，匹配网络的设计方法也不同。下面分别进行讨论。

1.高增益放大器设计

（1）单向化设计

单向化转换功率增益为

当晶体管输入输出两端口都满足共轭匹配，获得最大单向转换功率增益为

)

1)(1(2

222

112

21

max max 0max S S S G G G G L S Tu --=

=

2

2)1(1

)1(1u G G u Tu

t -<<+ 实际设计时，u 0.12，则计算功率增益误差不超过1dB 。

（2） 非单向化设计

双共轭匹配的条件为

2

1

2

1

21124C C B B Sm -±=

Γ 2

2

2

2

2

2224C C B B Lm -±=

Γ

式中：2

2

222

1111?--+=S S B 2

2

112

2221?--+=S S B

*

22111S S C ?-= *

11222S S C ?-= 21122211S S S S -=?

经过分析可知，在放大器绝对稳定的条件下进行双共轭匹配设计时，Sm Γ和Lm Γ都取带

负号的解，这样将S 参数带入后，即可求得一组1<ΓLm 、1<ΓLm 的源和负载反射系数，并以此作为设计输入、输出匹配网络的依据。

此外，设计放大器可先做稳定圆，画出潜在的不稳定区域，然后利用等增益圆和等噪声系数圆进行设计。 设计步骤如下：

（1） 画出临界圆和单位圆，确定稳定区。 （2） 画出等增益圆和等噪声系数圆。

（3） 在等噪声系数圆的稳定区取S Γ可满足噪声要求。 （4） 在等增益圆的稳定区取L Γ可满足增益要求。 （5） 用微波的方法实现，主要采用微带电路。

2. 低噪声放大器的设计

由前面的分析可知，为获得最小噪声系数，应选择最佳信源反射系数op Γ，而从功率传输来看，这时是失配的。这种以最小噪声系数出发来设计输入匹配网络的方法，称为“最佳噪声匹配”。输入匹配网络讲S Γ变换成op Γ，而输出匹配网络按共轭匹配设计，即

*out L Γ=Γ *11211222*

)1(opt

opt out L S S S S Γ-Γ+

=Γ=Γ

因此，放大器可以在实现最小噪声的前提下得到尽可能大的增益。