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。

SiC 则在高温、高压的电力、新能源、光伏等领域应用较多。

下表可以直观的对比几种材料：
5）LDMOS
全称是横向扩散金属氧化物半导体（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor），在2G、3G移动通信中发展起来的功率半导体技术，具有低成本优势，适合长脉冲、高占空比应用，有较好的抗负载失配能力。

近几年，LDMOS受到第三代半导体的竞争，应用在逐渐萎缩。

从微波工程应用的角度，主要根据使用用途来进行区分，后续会对每个类别做更详细的介绍，本文中仅做个列表，包括： 1）低噪声放大器（Low Noise Amplifier）
2）功率放大器（Power Amplifier）
3）中功率放大器（Medium Amplifier）
4）分布式放大器（Distributed Amplifier）
5）高隔离放大器（High Isolation Amplifier/High Directivity Amplifier） 6）脉冲放大器（Pulsed Amplifier）
7）对数放大器（Logarithmic Amplifier）
8）饱和放大器（Saturation Amplifier/Limiting Amplifier）
9）高线性放大器（High Linearity Amplifier）
许多放大器厂商还有一类放大器叫Gain Block放大器，这类放大器直译为增益模块，一般是输出功率不高的小信号放大器。

在放大器实际选择时，虽然不少厂商都命名为Amplifier，实际上，是有管子（BJT/FET）和单片放大器（MMIC）的区分的，实际选用时，要注意看器件的详细参数。

另外，微波放大器特别是功率放大器，按照工作电流导通角的不同又分为了甲（A）类、乙（B）类、甲乙（AB）类、丙（C）类等，此部分内容也在后面的文章中详细说明。

微波放大器电路的主要构成如下图：
匹配电路：输入端一般有与前级的输入匹配电路，见下图，如果使用的是BJT/FET而不是MMIC，就需要像图中一样建立匹配电路，
还要考虑驻波匹配、噪声匹配、功率匹配等，这是一个比较复杂的过
程；同样，输出端要接输出匹配电路。

在单片电路（MMIC）级联的
系统里，每个器件的输入、输出均匹配到50Ω，因此可以直接级联
使用。

隔直电容（C block）：放大器输入、输出端接的电容，可以说是耦
合电容，防止上下级的直流互相影响。

理论值计算是根据电容的阻抗
公式计算的，工程的时候选择Q值尽量高、体积尽量小的贴片陶瓷
电容，避免封装效应并降低损耗，取值建议如下：
f在100MHz左右， Cblock取1nF f在400MHz左右， Cblock取100nF
f在1.2GHz左右， Cblock取10nF f在2.5GHz左右， Cblock取5nF
f在10GHz左右， Cblock取1‐2nF
偏置电感（RFC）：作用是供电并阻隔微波信号，低频时选用绕线
电感，高频时使用高阻微带线，但现在常用的MMIC通常已将此元件
集成在器件内部了。

取值建议如下：
f在100MHz左右，RFC取10μH f在1.2GHz左右，RFC取100μH
f在2.4GHz左右，RFC取47μH或用1/4波长微带线替代
f>2.4GHz，采用1/4波长高阻微带线
退耦电容（B bypass）：电源端接的到地连接的电容，作用是将通路泄漏的微波信号短路到地，避免干扰其它电路，取值建议与隔直电容一致，在X波段以上的高频，退耦电容往往采用分布式的扇形电容。

需要说明的是，由于放大器往往在低频处增益更高，为防止低频处产生自激及电源纹波波动对放大器产生影响，退耦电容附近还需增加1000pf及0.1μf的电容。

偏置电阻：偏置电阻通过限流的方式给放大管提供合适的电压、电流，对单片放大器（MMIC），除了根据电压电流公式计算阻值外，需要着重考虑的是偏置电阻的耐功率值，通常1206封装的贴片电阻，最大功耗仅为1/4W，使用的时候，还要考虑电阻上如何散热避免损坏。

实际放大器的偏置是一个比较复杂的过程，还需要考虑温度下的温漂问题，FET管子还有加电时序的问题，后续我们将会单独写一篇关于偏置的文章进行详述。

微波放大器的使用及选用，一定要了解放大器的各项技术指标，包括增益、输出功率、噪声系数、平坦度、线性、效率、供电电流、功耗、热阻、最大使用参数等，这些参数的定义在所有基本的相关书籍中均有描述，这些内容比较枯燥，公式也较多，在此不做详述，我想说的是——理论要多跟实践相结合，刚从学校出来的大学生切记只
看书不动手，就像我们学车一样，看似跟简单的几个动作，自己动手的时候，就不是那么回事了。

有经验的工程师在看器件资料时，不能只看器件典型（typ）值，还需看其详细S参数，封装及应用建议等。

有些公司，在你不注意的地方，往往埋了“雷”！。