电子科技大学微波固态电路总回顾

总回顾—— 第三章微波晶体管放大器 G
单向化设计（ S12≈0S ） − Γ (1
2 2 S
S 21
2
M
固定增益电路
GTu =
2
21
)(1 − Γ L )
2 2 2
2
(1 − S11Γ S )(1 − S22 Γ L )
2 2
= S21 ⋅
1− Γ S
多级放大器晶体管选择 宽带放大器
1 − S11Γ S
原理图捕捉；支持工具；层次设计 ；电路元件库； 模拟控制 ；优 化；版图；存在多种不同类型的分析研究电路响应的模拟引擎
总回顾—— 第三章微波晶体管放大器
功率合成技术
链状结构 按电路拓扑 结构分类 树状结构 N口结构 Wilkinson合成器 Rucker合成器 圆锥合成器 辐射状合成器 行波合成器 器件级 谐振型 按功率合成 方式分类 电路级 非谐振型 准光功率合成 空间级 自由空间波功率合成 混合型 腔体谐振 介质谐振 空间型 按传输线 形式分类 波导型 平面型
ΓSm ΓLm
P′
ΓLm Γ*Lm
ΓL′
总回顾—— 第三章微波晶体管放大器
微波晶体管功率放大器的特性 1）功率 耗散功率
PDC ≈ I cVcb
，输入功率Pin，输出功率Pout，
小功率：PDC<1 W, 中功率：1W≤PDC ≤ 5W,大功率：PDC>5W 功率单位：1mW=0dBm 1W=1000mW=30dBm 10W=40dBm
考核方式——
平时（作业和出勤率）：10%；实验（8学时）：20%； 期末考试（第15周，一页纸开卷，填空5~10/判断5~10/简答3~5，2小时）： 70% ；
非考试重点——
§2.2， §3.5.6， §5.5， §5.7， §6.2，CAD/ADS设计
总回顾—— 第一章 引言
波长 1km
1、微波固态电路的定义 电路：从路的角度解决电磁问题； 固态：电路采用的元器件性质，明确为半导体器件； 微波：特指电路的工作频率范围。 2、微波频段划分
异质结双极型(HBT)
金属半导体（MESFET） 高电子迁移率（HEMT） 赝晶型高电子迁移率（PHEMT） 金属氧化物半导体（MOSFET） 金属绝缘物半导体（MISFET）
晶体管 场效应晶体管
电子，电压控制 Si N i N o 1 F= = ⋅ So N o N i G p
双极型 场效应
低噪声放大器 放大器
Pout P −P 功率效率 η = P 功率附加效率 ηPAE = outP in dc dc 3）功率压缩
4）动态范围
2）效率
=
Pout Pdc
1⎞ 1⎞ ⎛ ⎛ 1 − ⎟ = η ⎜1 − ⎟ ⎜ ⎝ G⎠ ⎝ G⎠
Pout, 1dB (dBm) = G1dB (dB) + Pin, 1dB (dBm) = G0 (dB) − 1dB + Pin, 1dB (dBm)
总回顾—— 微波固态电路
学时内容——
第一章：引言（1学时）； 第二章：微波集成电路基础（5学时） 第三章：微波晶体管放大器（10学时） 第四章：微波混频器和检波器（5学时） 第五章：微波倍频器（4学时） 第六章：微波振荡器（2学时） 第七章：微波控制电路（5学时）
学习重点——
基本概念、基本理论与结论、工作原理、主要电路结构、设计方法/步骤；
B、λg/4阻抗变换器与λg/4支节联合匹配
C、渐变线
总回顾—— 第二章 微波集成电路基础
5、功率分配器和耦合器
P2 P1 P4 P1 P3 P2 P1 P4 P2 P1 P3 P4 P3 P3 P1 P2
P2 P4 P3
总回顾—— 第三章微波晶体管放大器
双极结型(BJT) 结型晶体管
电子/空穴，电流控制
非线性基波电压增益：
k A + 3k 3 A / 4 3 = k1 + k 3 A 2 GV = 1 A 4
3
GV
θ
3 k 3 A2 4
微波晶体管功率放大器的设计
设计方法： S参数法；动态阻抗法； 非线性模型法
k1
设计目标：在一定的中心频率及频带范围内设计输入、输出匹配网络，使 其满足一定的输出功率、三阶交调系数、增益、输入/输出驻波比等要求 输出匹配网络—— 最大输出功率=>最佳负载点（纯电阻无反射匹配） 输入匹配网络—— 最高增益=>共轭匹配
GT max = Gmax = Ga max =
S21 K − K 2 −1 S12
(
)
低噪声设计——输入最佳噪声匹配+输出共轭匹配
Γ S = Γ opt
* Γ L = Γ out
⎛ S12 S 21Γ opt = ⎜ S22 + ⎜ 1 − S11Γ opt ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
∗
总回顾—— 第三章微波晶体管放大器
Γ in =
a1 = as + b1Γ s = as + a1Γin Γ s Γ out
GT =
PL PL Pin P P = ⋅ = G ⋅ M 1 = L ⋅ La = M 2 ⋅ Ga Pa Pin Pa PLa Pa
M 1 , M 2 ≤ 1 => GT ≤ G, GT ≤ Ga
b1 S S Γ = S11 + 12 21 L 1 − S22 Γ L a1 S S Γ = S22 + 12 21 S 1 − S11Γ S
Pin 1 a1 1′
PLa 晶体管 [S]
2 2

P 2 b2 2′ Γ L ZL
2
a2
Γs
Γ in
功 率 增 益
转换功率增益 资用功率增益
插入放大器后负载得到的实际功率 是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍
b − a2 b (1 − Γ L ) P GT = L = 2 = 22 2 Pa Pin Γ =Γ* a1 (1 − Γ in ) Γ =Γ*
100m 10m 1m 10cm 1mm 0.1mm 中波 短波 超短波 红外
分米波 厘米波 毫米波 亚毫米波 频率 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 3000GHz
3、《微波固态电路》课程的主要内容
发射模块 IF T
PA
AGC PLL1 ×5 ×4
小信号微波晶体管放大器设计步骤
Γ 2 2 2 R （１）选择管子的直流工作点确定Ｓ参数、opt 、 n 等 ⎫ 1 − S11 − S 22 + Δ K= > 1⎪ （２）计算稳定系数确保K≥1 2 S12 S 21 ⎪ ⎪ （３）计算设计所需的源和负载反射系数 ⎬ 2 1 − S11 > S12 S 21 ⎪ 2 ⎫ Γ s = Γ opt B1 − B12 − 4 C1 ⎫ ⎪ 2 ⎪ Γ Sm = ⎪ （或） − S 22 > S12 S 21 1 ⎪ ∗⎪ ⎭ ⎪ 2C1 ⎪ ⎛ S12 S21Γ opt ⎞ ⎬ ⎬ * 2 Δ = S11 S 22 − S12 S 21 Γ L = Γ out = ⎜ S22 + 2 ⎟ ⎪ B2 − B2 − 4 C2 ⎪ ⎜ ⎟ 1 − S11Γ opt ⎠ ⎪ Γ Lm = ⎪ ⎝ ⎭
总回顾—— 第三章微波晶体管放大器
微波晶体管放大器特性之—— 2 2 2 1 − S11 − S22 + Δ K= 1）稳定性 2S S
Γ in
Z − Z0 S S Γ = in = S11 + 12 21 L ≤ 1 Z in + Z 0 1 − S22 Γ L
12 21
1 − S11 > S12 S21 1 （或）− S22 > S12 S21
高增益设计——输入输出双共轭匹配
Γ Sm = Γ Lm =
B1 − B − 4 C1
2 1 2
2C1
2 B2 − B2 − 4 C2 2
2C2
⎫ ⎪ ⎪ B1 = 1 + S11 2 − S 22 2 − Δ 2 ⎪ ⎬ ⎪ B = 1 − S 2 + S 2 − Δ 2 C = S − S ∗Δ , C = S − S ∗ Δ 1 11 22 2 22 11 11 22 ⎪ 2 ⎪ ⎭
2
2
提高稳定性：加载有耗网络
⎫ > 1⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭
2）噪声特性
Δ = S11 S22 − S12 S21
2 2 N0 GkTB + N a Na Rn ⎡ = =1+ = Fmin + F= ( GS − Gopt ) + ( BS − Bopt ) ⎤ ⎥ ⎣ ⎦ GkTB GkTB GkTB GS ⎢
四个噪声参量： （厂商提供或自测）
等效噪声电阻Rn，最小噪声系数Fmin， 最佳信源电导Gopt和电纳Bopt
总回顾—— 第三章微波晶体管放大器
多级放大器级联
F = F1 + F2 − 1 F3 − 1 + + G1 G1G2 + Fn − 1 G1G2 Gn
小信号微波晶体管放大器设计
设计目标：在一定的中心频率及频带范围内设计输入、输出匹配网络， 使其满足一定的增益、噪声系数、输入/输出驻波比等要求
（4）计算单级最大资用功率增益确定放大器级数
2C2
⎪ ⎭
⎛ S21 MAG = 10lg ⎜ K − K 2 −1 ⎜ S ⎝ 12
(
)
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
（5）设计输入匹配网络 （6）设计输出匹配网络 （7）设计级间匹配网络 50Ω
～
l1 l2
HEMT1
l5 l7
P
l6
HEMT2
l3 l4
50Ω
ΓS′
ΓSm
电流线示意图
4、阻抗匹配/变换
分类： 负载匹配 VS 波源匹配 阻抗匹配 VS 共轭匹配 窄带匹配 VS 宽带匹配
总回顾—— 第二章 微波集成电路基础
窄带匹配—— A、并联单支节匹配；
Zc ZL 短路 并联电感
开路 并联电容
B、λg/4阻抗变换器
总回顾—— 第二章 微波集成电路基础
宽带匹配—— A、两段（或多段）阻抗匹配；
d R = Pout, 1dB − Pout, mds = Pout, 1dB − ( PF, out + 3dB)
PF, out = kTBGo F
总回顾—— 第三章微波晶体管放大器
微波晶体管功率放大器的特性 5）交调失真——IMD，输出有用与无用功率之差 IMD(dB) = Pout ( f 2 )(dBm) − Pout (2 f 2 − f1 )(dBm) P P 三阶交调系数 M3 = 10lg 3 = 10lg 3 （dBc） P P+1 i i 6）调幅调相转换——输出信号产生相移，相移量随输入功率大小而变化
in S in
Γ out
2
S
P Ga = La = Pa Pin 插入放大器后负载可能得到的最大功率
PL
Γ L =Γ* out Γin =Γ* S
=
b2 (1 − Γ L ) a1 (1 − Γ in )
2 2
2
2
Γ L =Γ* out Γin =Γ* S
是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍 2 2 b2 (1 − Γ L ) PL = G= 实际功率增益 Pin a1 2 (1 − Γ in 2 )
频率源 PLO PLL2 ×5 ×2 LNA 二中频 （IF S）
fs 双 工 fT
一中频 接收模块
总回顾—— 第二章 微波集成电路基础
1、常见的
微波传输线
2、微带传输线特性参量 ε r ↑;
Z0 = 1 c CCa
vp
Z0 ↓;
2π
v ↓ ; λg ↓;
p
=
Z 0a
εe
β = k0 ⎜
⎛ λ0 εe = ⎜ ⎜λ ⎝ g
微带线 槽线 带状线 共面波导 矩形波导 圆波导 同轴波导 椭圆波导 椭球
空间级——波导
空间级——准光腔 器件级 电路级
总回顾—— 第四章 微波混频器和检波器
混频器 （1）利用非线性或时变元件来达到频率变换的目的； （2）基本上采用肖特基势垒二极管做变频元件； （3）是微波集成电路接收系统中必不可少的部件； 检波器 （1）利用固态器件的非线性来产生直流或低频电流及电 压，用以检测微波功率； （2）采用PN管或肖特基势垒二极管做检波元件； （3）是微波指示设备中最常用的部件 I 肖特基势垒二极管 ⎡ qV ⎤ M-S 结
2
⎛C ⎞ ⎟ ⎝ Ca ⎠
12
= k0 ε e =
c= 1
λg
ω vp vp = = β εe
k0 = ω μ0ε 0
a
λ0 λg = = f εe
⎞ C ⎟ = ⎟ Ca ⎠
μ0ε 0
总回顾—— 第二章 微波集成电路基础
3、微带电路的不连续性
T2
Zc 1 ZC 2
T1
T
电流线分布
分析方法—— 电磁场全波分析； 等效电路分析；
⋅
1− Γ L
1 − S22 Γ L
= G0 ⋅ GS ⋅ GL
f0
f
B
G (dB) = G1 (dB) + G2 (dB) + G3 (dB)
F2 − 1 F3 − 1 + F = F1 + G1 G1G2
平衡式放大器；反馈式放大器；有源匹配式放大器； 电阻电抗匹配式放大器；分布式放大器
放大器CAD工具简介
GP = Po Pi
Pc ≈ I cVcb , Po =
η
1 −η
Pc
双极型 场效应
功率放大器 GP = Po Pi
总回顾—— 第三章微波晶体管放大器
微波晶体管放大器的主要指标:
输出功率；输入和输出驻波比（VSWR）；工作频带； 功率增益；稳定性；噪声系数；线性度；动态范围；
Pa ZS as b1