微波功率放大器
射频与微波电路设计介绍-7-功率放大器设计介绍
热设计与散热问题解决方案
热设计基本原理
阐述热设计的基本原理，包括热传导、热对流、热辐射等 概念。
散热问题解决方案
探讨散热问题的解决方案，如采用高效散热器、使用热管 技术等，并分析其优缺点。
热设计与散热问题实例分析
给出热设计与散热问题的实例分析，包括热仿真、热测试 等方面。
热设计与散热问题解决方案
热设计基本原理
阐述热设计的基本原理，包括热传导、热对流、热辐射等 概念。
散热问题解决方案
探讨散热问题的解决方案，如采用高效散热器、使用热管 技术等，并分析其优缺点。
热设计与散热问题实例分析
给出热设计与散热问题的实例分析，包括热仿真、热测试 等方面。
05
射频与微波功率放大器仿真与测 试方法
05
射频与微波功率放大器仿真与测 试方法
01
02
03
04
高集成度
随着半导体工艺的发展，射频 与微波电路将实现更高的集成
度，减小体积和重量。
高性能
采用新材料和新技术，提高电 路的性能指标，如更高的工作 频率、更低的噪声系数等。
多功能融合
将不同功能的电路模块集成在 一起，实现多功能融合，满足
复杂应用场景的需求。
智能化
引入人工智能和机器学习技术 ，实现电路的自适应调整和智 能化管理，提高系统性能。
连接测试仪器，设置合 适的测试参数（如频率 、功率等）。
对功率放大器的各项性 能指标进行测试，如输 出功率、增益、效率等 。
通过输入不同幅度和频 率的信号，观察功率放 大器的输出信号是否失 真，评估其线性度性能 。
在长时间工作和不同环 境温度下，测试功率放 大器的稳定性和可靠性 。
测试平台搭建及测试步骤说明
微波放大器简介
微波放大器本文转自“微波绘”公众号微波放大器的用途简直就不用写，就是字面含义，用来跟自然界中物质对抗的，将被各种物质衰减的微波信号挽救回来！需要说一点的是，如果大学学习的时候，你学习了电子线路、低频电路、高频电路、数字电路，而没有学微波工程电路，那抱歉，你知道的放大器是这样的：可是，在微波工程里，放大器是这样的：甚至出现了压缩点、噪声系数、S参数等一大堆概念，这些原来教科书里没有的东西，这时候，要自己补课了，“微波工程电路”或“微波电路”方向的书自己找找看吧，最多3、5本就好了，这里主要介绍一些分类及应用的知识。
放大器作为一种微波集成电路，根据使用工艺的不同，分为1）BJT/FET放大管：这类管子就是基础书本里的双极性晶体管或场效应管（Bipolar Transisitor/Field Effect Transistor），基于硅或锗衬底，这种器件作为单独的器件使用已经很少了，特别是工作频率不高，微波应用极少。
2）HBT放大管：异质结双极性晶体管，在BJT的基础上，发射区和基区使用不同的材料形成一个异质结，如InGaP和GaAs，扩展了放大管的高频特性，采用这种工艺的“达林顿复合管”（Darlington Pair）在微波放大管的应用十分广泛，像MINI‐CIRCUITS公司早期的ERA系列放大管均为此类型。
3）HEMT/PHEMT放大管：高电子迁移率晶体管（High Electorn Mobility Transistor），P是改变了沟道材料的晶体管，称为赝配（pseudo），此类工艺的发明，大大提高了工作频率，毫米波器件开始大量发展，采用GaAs衬底的HEMT，更表现出了超低的噪声系数，至今仍在使用，绝大多数微波芯片厂商均有此工艺的产品。
4）GaN和SiC：这两种材料工艺被称为“第三代半导体”，它们都是为了提升器件的应用温度和功率范围大量应用的，开始的时候，功率管厂家同时推进这两类器件，但GaN有更高的电子迁移率，使用工作电压也更低，因此微波工程领域逐渐变成了GaN的天下。
射频和微波放大器设计
为B类工作旳放大器称为AB类放大器。
➢ C 类（丙类）放大器 • 放大器在整个信号周期内，晶体管在工作区工作旳时间
明显少于半个信号周期旳放大器为C类放大器。
小信号放大器设计
小信号放大器设计旳基 本环节
选择合适旳器件或芯片 o 工作频率 o 增益 o 噪声 o 功率电平
小信号放大器设计
窄带放大器设计 o 工作带宽不大于10%旳放大器可以为是窄带放大器
窄带放大器分类 最大增益放大器 高增益放大器 最低噪声放大器
高增益放大器设计举例
例 15.1 设计一工作频率为3GHz，增益为15dB旳放大器，选择如
下S参数旳双极晶体管（VCE=4V ，IC=5mA）：
宽带放大器（BBA）设计 ——负反馈技术（分析）
➢ 取得最小输入和输出驻波比旳条件
➢ 设计举例
宽带放大器（BBA）设计 ——负反馈技术（高频情况）
伴随工作频率旳增长，S21旳相位将趋向于900， 也就是说可能出现正反馈旳成份，由此引起放 大器旳不稳定，为了确保放大器旳稳定性，能 够在并联反馈元件上附加一种串联电感，以变 化反馈分量旳相位。
功率放大器旳最小信号电平和动态范围
最小信号电平 放大率Po,mds，必须不小于放大器旳输出噪声功率。 • Po,mds定义为高于输出噪声功率电平 x 分贝。
或
功率放大器旳最小信号电平和动态范围
功率放大器旳动态范围 功率放大器旳动态范围定义为放大器旳线性最
交调对接受系统旳影响分析
对于窄带功率放大器，除了三阶交调项（即 2f1-f2和2f2-f1）外，全部附加旳频率分量都能 够经过滤波器被滤除掉。
微波高功率固态放大器技术综述
师，２０１６ 年国家杰出青年科学基金获得者，主
要研 究 方 向 为 毫 米 波 集 成 电 路 与 系 统．
ｍａｋａｉｘｕｅ＠ ｕｅｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ
１ 新加坡科技与设计大学，新加坡，４８７３７２
２ 电子科技大学 物理电子学院，成都，６１００５４
当前砷化镓工艺包含两大类器件工艺：赝调制掺杂异质结场效
造工艺，而每种工艺对功率放大器有着不同的特点或优势． 对于工作
频率不高于 １００ ＧＨｚ 的芯片而言，砷化镓和氮化镓材料具有功率方面
的优势 ［１⁃２］ ．如果频率作为器件的首要考虑，那么选用磷化铟器件制作
的功率放大器其频率可以高到 ５００ ＧＨｚ 以上 ［３］ ． 当然，对于工业制造
来说，产品的成本也是功率放大器设计以及量产的重要因素，特别是
Copyright©博看网 . All Rig，２０１７，９（１） ：８⁃１４
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ，２０１７，９（１） ：８⁃１４
于实验的低噪声放大器可供参考
［１５］
１ ２ 氮化镓
．
氮化镓器件具有高的电子迁移率和高的击穿电
压，是高效率大功率放大器设计的首选，其工作频带
范围可以从直流到接近 １００ ＧＨｚ．在 ０ １ 和 ０ １５ μｍ
特征栅长的器件问世后，多个工作频率超过 ７０ ＧＨｚ
击穿电压低，并且晶体管的电流耐受能力不高，其最
ＴＧＡ４７０６⁃ＦＣ 芯片可在 ７６ ～ ８３ ＧＨｚ 的频率范围提供超过 １５ ｄＢ 的增
微波线性功率放大器的研究的开题报告
微波线性功率放大器的研究的开题报告一、选题背景微波线性功率放大器是无线通信系统中重要的组成部分，可作为信号放大和传输的驱动力。
广泛应用于移动通信设备、卫星通信设备、雷达系统、电视广播和医疗设备等领域。
目前，随着5G通信网络的快速发展和高速数据传输的需求不断增加，对微波线性功率放大器的研究呈上升趋势。
二、选题意义在无线通信系统中，微波线性功率放大器的作用十分重要。
其中线性度是极其关键的性能指标，它能够直接影响信号的接收和传输质量。
因此，如何研究和设计高线性度的微波线性功率放大器成为了一个热门研究方向。
同时，线性功率放大器的功率效率也是需要关注的一个重要问题。
如何在高线性度的同时，提高功率放大器的效率，是我们今后研究的方向。
三、研究内容及方法本研究旨在研究线性功率放大器中的关键技术问题，结合目前研究的热点，主要包括：1.研究微波线性功率放大器的电路结构，了解各种电路结构的优缺点，选取合适的电路结构。
2.探究在微波线性功率放大器中的器件特性，深入了解不同的器件特性对线性度和功率效率的影响。
3.通过理论分析和仿真模拟，研究微波线性功率放大器中的优化算法，提高线性功率放大器的线性度和功率效率。
4.设计并制作微波线性功率放大器，进行实验验证，优化改进。
四、预期成果通过本研究，我们预期达到以下成果：1.深入了解微波线性功率放大器的原理和发展趋势，能够了解并分析微波线性功率放大器的主要性能指标与限制因素。
2.掌握微波线性功率放大器中的关键技术，能够利用软件仿真设计出高性能的线性功率放大器电路并对其进行仿真模拟分析。
3.能够利用实验室设备进行微波线性功率放大器的制作，并进行性能测试和优化，对比分析不同算法和器件对线性度和功率效率的影响。
4.在理论和实验上能够有效地改进和提升微波线性功率放大器的线性度和功率效率，进一步推动无线通信系统的发展。
五、研究计划1.第一阶段（1-2个月）文献调研，搜集研究资料；学习微波线性功率放大器的理论基础；了解不同的电路结构和器件特性。
微波功率放大器技术与设计
微波功率放大器技术与设计众所周知，当前国内外抑制信号二、三次谐波绝大多数采用的方式就是在功放后加开关滤波器。
通过以往大量的实践结果表明，在45dbm/路辐射功率的环境中进行操作可以在规定的时间空间范围内实现二次35dbc与三次40dbc（基于当前国内开关滤波器的标准），但该技术就目前而言仅在低频、窄带信号中能够有效开展，在高频和宽带环境很难发挥出最佳效应。
但是通过以往大量的仿真实验结果以及总结的经验发现，如果运用得当，数字预失真技术在解决微波功率放大器线性化技术方面比上面方法能够取得更好的效果，因为它可以满足通信信号电磁环境模拟器对谐波和互调分量的指标要求，鉴于此，本文是对微波功率放大器技术与设计工作进行分析，仅供参考。
标签：功率放大器；预失真技术；线性化；移动通信引言：微波集成电路技术是无线系统小型化的关键技术.在毫米波集成电路中，高性能且设计紧凑的功率放大器芯片电路是市场迫切需求的产品.总的来说，微波功率放大器的芯片性能很大程度上取决于制造工艺，而每种工艺对功率放大器有着不同的特点或优势.对于工作频率不高于100GHz的芯片而言，砷化镓和氮化镓材料具有功率方面的优势.如果频率作为器件的首要考虑，那么选用磷化铟器件制作的功率放大器其频率可以高到500GHz以上.当然，对于工业制造来说，产品的成本也是功率放大器设计以及量产的重要因素，特别是对于消费电子产品类，互补金属氧化物半导体（CMOS）利于片上系统集成，因此具有成本优势.从应用场景来看，毫米波芯片工作于不同的频率有着不同的要求，比如在Ka波段的26.5～40GHz，目前主要用于卫星和中长距点对点通信，大功率是这个波段功率放大器的首要指标，因而氮化镓和砷化镓的功率放大器芯片是首选.对于60GHz而言，由于电磁波在该频率的衰减很大，主要潜在应用于短距离的高速通信并面向消费电子市场，因而成本较低的CMOS半导体和锗化硅器件是未来该频段芯片设计的首选。
基于FLL120MK微波功率放大器的设计
基于FLL120MK微波功率放大器的设计薛文松;张想;乔德政【摘要】随着无线通信技术的发展，高性能的无线通信设备成为人们的研究方向，在这当中功率放大器担当着关键角色。
本文介绍了FLL120MK AsGa场效应管在微波功率放大器中的应用，详细的说明了原理图及电路板的设计和仿真，电路板的装配及调试；认真分析了影响功率放大器的性能参数的原因，对输出功率、频率响应、失真度、信噪比和输出阻抗等方面都都进行了讨论。
本文完成率L波段10W功率放大器的研制，最终产品测试结果表明该放大器满足指标要求。
%With the development of wireless communication technology, wireless communication equipment with high performance has become a research direction of the people, in which the power amplifier plays a key role. This paper introduces the FLL120MK AsGa FET used in microwave power amplifier, a detailed description of the design and Simulation of schematic and circuit board, assembly and debugging of the circuit board; a careful analysis of the reasons affecting the performance parameters of the power amplifier, the output power, frequency response, distortion, and signal to noise ratio output impedance aspects have discussed. This paper completed the development rate of L band 10W power amplifier,the final product test results show that the amplifier meet the requirements.【期刊名称】《仪器仪表用户》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】3页(P33-34,18)【关键词】功率放大器;增益;阻抗匹配;杂散信号;发射机;动态范围【作者】薛文松;张想;乔德政【作者单位】江苏宝科电子有限公司，江苏扬州225009;江苏宝科电子有限公司，江苏扬州 225009;江苏宝科电子有限公司，江苏扬州 225009【正文语种】中文【中图分类】TN9250 引言FLL120MK是优迪娜半导体有限公司推出的一款低电压高增益砷化镓场效应晶体管。
微波技术在无线通讯中的应用
微波技术在无线通讯中的应用导论随着现代社会的发展和科技的进步，无线通讯已经成为现代人生活中必不可少的一部分，从手机通讯到卫星通讯，我们都可以看到无线通讯技术的身影。
而在无线通讯的领域中，微波技术是其中不可缺少的一部分。
本文将介绍微波技术在无线通讯中的应用，主要从微波通讯系统、微波天线和微波功率放大器三个方面来进行介绍。
一、微波通讯系统微波通讯系统是指通过微波信号进行无线通讯的系统，广泛应用于卫星通讯、雷达、个人通信、航空航天、军事等领域。
微波通讯系统主要由三部分组成：微波信号发射、传输和接收。
其中微波信号发射和接收是微波天线所起的作用，而微波信号传输是由微波传输线路所负责的。
微波通讯系统的性能主要受制于微波信号的传输质量，其中主要与微波信号的频率、带宽、信噪比、调制方式等有关。
通信系统中的传输质量还包括传输距离、数据传输速率、功率和灵敏度等特性。
微波通讯系统在传输过程中还会产生信道衰落、多径效应等干扰问题，需要通过误码率、误比特率等指标来进行评价。
微波通讯系统在无线通讯领域中的应用非常广泛，例如卫星通讯系统中的通信卫星、地面站和终端设备等，还有军事雷达系统、个人通信系统、市政路灯联网系统等。
二、微波天线微波天线是收集、辐射和引导微波功率的设备，是微波通讯系统中不可缺少的一部分。
它们可以在微波频率范围内工作，是把电磁波转化为导体上的电流或把导体上的电流转化为电磁波的装置。
微波天线的种类很多，包括各种类型的馈线、开槽天线、微带天线、波导天线、磁控管天线等。
微波天线可以在无线通讯领域中进行应用，主要是用于卫星通讯系统、个人通信系统和雷达系统等领域。
三、微波功率放大器微波功率放大器是一种将微弱的微波信号放大到足以驱动微波天线的设备。
这些放大器可以在卫星通讯系统、雷达和航空航天等领域中起到至关重要的作用。
微波功率放大器可以采用不同的技术来实现，例如管式、半导体和混合式功率放大器等。
它们的性能受制于微波功率放大器的增益、噪声系数和线性度等性能指标。
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Pout(dBm)
1dB 1
ý ×» ÷ È ½ ½ µ Ø ¹ ã ½ Ö µ
IP3
1 M3 dB
P dB Pin 1dB G0 dB 1 1 Pout dB Pin dB G0 dB
P3 a
3 1
小信号工作时
M 3 dB 23.75 2( P1dB Pout dB 1)
* k1为小信号电压增益；k3为负，代表压缩特性。
6
输入：
A A V cosw1t cosw 2 t 2 2
(使总功率保持不变)
输出基波：
1 9 k1 A k 3 A3 cosw1t cosw 2 t 8 2 1 3 k3 A3 cos2w1 w 2 t cos2w 2 w1 t 2 8
14
S21 只降模值 S12 只升模值
3. 动态阻抗法
没有模型也没有S参数的晶体管，可先测得最佳Zin 、Zout ， 再设计微带匹配电路。
FET ÷ä ÷ µ Å Æ 1 VSWR1 Zin(f) ÷ä ÷ µ Å Æ 2 Zout(f) VSWR2
• 在一定频率及输入电平下，调整工作点及调配器，使输出功 率最大、同时效率较高(偏置电流小)时，得最佳负载状态。 • 用共轭替代法，用网络分析仪测出此状态下两端输入、输出 阻抗，用于功放匹配网络设计。 这种方法的功放非线性是不可预估的，故对线性功放的设 计一般不用。
三阶交调分量：
• 1dB压缩点三阶交调系数
M3
1dB
三阶交调分量电压幅度 20lg 1dB 23 .75dBc 基波电压幅度
实际经验值略小，通常取 M3 1dB -23dB
7
6. 三阶交调截止点
1 k1 A A很小时的基波： 2
1 3 k 3 A3 三阶交调分量： 2 8
§1.8 微波功率放大器
§1.8.1 基本指标
1. 功率单位 微波功率放大器一般指P>1W。目前，商品可到百瓦(厘米波段) 单位：dBm，以1毫瓦(mW)为基准计量的倍数。
1W P0 (mW ) 10lg 30 dBm P(dBm) 10lg 1mW 1mW 例如：1mW=0dBm 1W=1000mW=30dBm 10W=40dBm
P1dB-- G1dB对应的输出功率
2
有关定义：
• 输入功率较小时，增益为常数，称为小信号线性增益G0； • 输入功率继续增大，功放输出功率出现非线性，输出功率 与输入功率的比值即增益减小； • 当功放增益比小信号线性增益G0下降1dB时，称为“1dB压 缩点增益”G1dB，对应的输出、输入功率称为“1dB压缩点 输出功率”P1dB及“1dB压缩点输入功率”Pin <1dB> 。
输入单频等幅信号时，输出信号相位变化(单位：弧度)与输
入信号功率变化(单位： dB)的比值。
dq (度 dB) dPin 180
12
§1.8.2 功率放大器设计原则
1. 线性功率放大器
与小信号高增益放大器设计的S参数公式完全一样。
S12 S 21L in S11 1 S 22 L
4. 1dB压缩点(1dB Gain Compressed Point)输出功率 P1dB
Pout(dBm)
G(dB) G0 G1dB
1dB
P1dB
1dB
0
Pin <1dB>
Pin(dBm)
0
Pin <1dB> Pin(dBm)
G1dB-- 增益下降1dB点 Pin <1dB>-- P1dB对应的输入功率
eV nKT
1) I S (eV 1)
9 12
IS－反向饱和电流，10 ~ 10 n－工艺理想因子 1 ~ 1.5 (1.1) K－波尔兹曼常数 1.38 10 23 J / K 1.602 10 19 C e－电子电荷
e nKT
(10 10 ) mA
I
IS
IS
VB
ÜÜ ¾¾ ¹¹ ÐÐ ·õõ ÷¬¬ »» ÑÑ ÊÊ ÖÖ · ÷
ÉÉ ¬¬ ùù ´´ ÆÆ »» ýý öö ÜÜ ÅÅ ÒÒ ³³ ¹¹ ½½
GaAs»» ÆÆ ù GaAsù ¬¬
SiO2±»» ²² ¤ã SiO£±¤ã 2£
梁式引线管
¤ØØ ùù áá ÐÐ ÌÌ »» ½½ ¤
N GaAs N GaAs
2 2
基波输出功率： Pout
dB
10 lg G0
dB
k1 A / 2 Z0 Pin
dB
10 lg k 10 lg
2 1
A/ 2 Z0
三阶交调输出功率：
P3 10 lg
' k3 dB
3k A / 8 /
3 3
2
2
dB
Z0 3Pin dB
A/ 2 3 2 10 lg( k 3 Z 0 ) 10 lg 2 Z0
22
封装形式比较
陶瓷封装
• • • • 性能好(CP、LS小) 稳定、可靠、抗震、抗湿 尺寸大 结构复杂，成本高
微带塑封
• 适用于混合集成 • 成本低、尺寸小 • 电容大、频率低
梁式引线
• 寄生参数小，频率高 • 工艺难度大，成本高
23
混频二极管电特性
1. I-V 特性
I I S (e
P dB P dB 1 out 1
Pin a Pin(dBm)
9
倒退值：
P ( P1dB
M 3 dB 23.75 Pout dB ) 1 2
Pout dB
M 3 dB 23.75 1 P1dB P1dB P 2
需要输入功率： • 三阶交调截止点
V0
衡量放大器非线性失真的程度 输入输出电压拟合：
V0 k 0 k1V k 2V 2 k 3V 3
(k0，k1，，为实常数，V<1) 输入信号： 输出信号：
0
V
放大器输入、输出曲线
V A coswt
1 3 2 V0 k 0 k 2 A k1 A k 3 A3 coswt 2 4 1 1 2 k 2 A cos 2wt k 3 A3 cos 3wt 2 4
5
k1 A 3k 3 A3 / 4 3 k1 k 3 A2 非线性基波电压增益： GV A 4
非线性基波功率增益：
k1 A 3k 3 A3 / 4 3 G(dB) 20 lg 20 lg(k1 k 3 A2 ) A 4
小信号功率增益：
G0 (dB) 20 lg
k1 A 20 lg k1 A
out S 22
S12 S 21S 1 S11S
区别仅是：由于功率管输入阻抗很低，匹配电路形式有 少许不同。
13
2. 大信号S参数法 • 输入信号加大，功率管呈非线性
• S参数随Pin变化规律：
S11 只变相位 S22 只降模值 • S参数测量困难： a. 大功率的测量设备 b. 不同功率、不同频率下测量，数据量大 c. 容易损坏功率管 • 一般用模型法
Pin dB Pout dB G0 dB
M 3dB 2( Pout dB IP3 )
IP3 P1dB 12
10
这个规律虽不严格但非常准确。
7. 调幅、调相转换系数
基波电压增益： GV k1 3 k 3 A2
4
3 k 3 A2 4
q
GV
k1
GV
k1
3 k 3 A2 4
在P1dB点有：
10lgP1dB=10lg(G0·in<1dB>)-1 dB 即 P P1dB=Pin<1dB>+G0dB-1 dBm 或 G1dB=G0dB-1 dB
3
5. 三阶交调(Intermodulation)系数 • 放大特性出现非线性时，多个微波信号之间将出现交叉调制 谐波。
P
mw1 nw 2
17
§ 2.1 微波混频器件
二极管混频 性能稳定 动态范围大 结构简单，无电源 成本低 三极管混频 有混频增益 可实现自振荡混频
18
微波二极管
混频 振荡 控制 调频 倍频 放大 检波 整流 控温 肖特基势垒管(面接触)，点接触 体效应管(甘氏管)，雪崩管 PIN管 变容管 变容管，阶跃恢复管 变容管，体效应管 反向管，低势垒管 平面管，闸流管 致冷PN结
P
w 1 w2
w
2w1-w2
w w1 w2 2w2-w1 3w2-2w1
• 三阶交调分量(|m|+|n|=3时)： 2w1 w 2
2w 2 w1
4
最靠近有用信号的杂波分量，将造成话路串扰、误码率增加。
• 三阶交调系数
三阶交调电压幅度 M 3 20lg dB 输出基波电压幅度
Cds
LS
S
输入功率加大后出现的正栅的反向击穿电流
16
第二章 微波混频器
§2.1微波混频器件
§2.2肖特基势垒二极管
§2.3非线性电阻混频原理
§2.4微波混频器电路
§2.5谐波混频器(书§2.8.2) §2.6混频器的数值分析法(书§2.5) §2.7混频器噪声系数 §2.8 上变频器
低频无相移网络
微波有相移网络
• 输入幅度变、相位变，输出则也会幅度变、相位变。
• 输入幅度变，输出幅度和相位都会变，叫调幅、调相
(AM/PM)转换现象。
11