雷達(dá)射頻微波器件及電路 課件 第5章 微波固態(tài)放大器

第5章微波固態(tài)放大器5.1概述5.2低噪聲放大器5.3功率放大器小結(jié)

5.1

概

述

微波放大器還可按放大的信號(hào)帶寬的不同分為窄帶放大器和寬帶放大器；

按半導(dǎo)體放大管的結(jié)構(gòu)不同又可以分為雙極晶體管放大器、場(chǎng)效應(yīng)管放大器和高電子遷移率放大器等。微波放大器不同的分類是從不同角度看待同一器件，如稱一個(gè)放大器為寬帶、大功率、場(chǎng)效應(yīng)管放大器，就是說該放大器為大功率放大器，是一個(gè)寬帶信號(hào)放大器，是利用場(chǎng)效應(yīng)管(FET)構(gòu)建的。

5.1.1

微波雙極晶體管

微波雙極晶體管通常都是平面結(jié)構(gòu)，和低頻晶體管相比，其封裝形式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)別很大。圖

5-1

給出了微波雙極晶體管的典型封裝形式。其中同軸封裝形式適用于同軸電路，多用于功率放大器和振蕩器。平面封裝形式多用于微帶平面電路。平面封裝的微波雙極晶體管有四個(gè)極，一個(gè)基極(B)，一個(gè)集電極(C)，兩個(gè)發(fā)射極(E)，實(shí)際封裝外觀如圖5-2所示，標(biāo)有點(diǎn)的位置1是基極(B)，與之相對(duì)的

3

是集電極(C)，另兩個(gè)寬度較寬的

2、4

為發(fā)射極(E)。微波雙極晶體管電路符號(hào)如圖

5-3

所示。

圖

5-1

微波雙極晶體管的典型封裝形式

圖

5-2

平面封裝的微波雙極晶體管

圖

5-3

微波雙極晶體管的電路符號(hào)

為了工作于微波頻段，微波雙極晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)多采用交指型管芯結(jié)構(gòu)，如圖

5-4

所示。這種結(jié)構(gòu)可以有效減小結(jié)電容，提高工作頻率。低噪聲管交指數(shù)目通常只有

3

～

5-條，而功率管交指數(shù)目可達(dá)10～20條。圖

5-4

交指型管芯結(jié)構(gòu)示意圖

微波雙極晶體管的噪聲主要有熱噪聲和散彈噪聲兩類。熱噪聲主要是由管子內(nèi)部電阻的熱損耗引起。散彈噪聲主要由電流分配的隨機(jī)性決定，在低頻區(qū)表現(xiàn)為閃爍噪聲，在高頻區(qū)表現(xiàn)為分流噪聲。微波雙極晶體管的噪聲特性如圖

5-5-所示，圖中縱坐標(biāo)為噪聲系數(shù)F，橫坐標(biāo)為頻率

f，fc1和

fc2分別為閃爍噪聲區(qū)和分流噪聲區(qū)的上下邊界。由圖

5-5-可見，在中間頻率的熱噪聲區(qū)噪聲系數(shù)最小。

圖

5-5

微波雙極晶體管的噪聲特性示意圖

5.1.2

微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管

微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)是通過電場(chǎng)來控制半導(dǎo)體中電子流動(dòng)而實(shí)現(xiàn)放大和通斷功能的，它屬于電子半導(dǎo)體器件。微波頻段的場(chǎng)效應(yīng)晶體管主要有

PN

結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)、金屬

氧化物

半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOsFET)、金屬

半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MEsFET)和高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMTFET)。其中高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能最好，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、遙感、宇航通信、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。用于制造微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體材料主要有硅(si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等，其中砷化鎵性能最好。

微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)如圖

5-6

所示。微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管和微波雙極晶體管一樣也有四個(gè)極，一個(gè)漏極(D)相當(dāng)于微波雙極晶體管的集電極(C)，一個(gè)柵極(G)相當(dāng)于微波雙極晶體管的基極(B)，兩個(gè)源極(s)相當(dāng)于微波雙極晶體管的發(fā)射極(E)。已封裝的微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管外觀如圖

5-7

所示，有切角的為柵極(G)，與之相對(duì)的是漏極(D)，另兩個(gè)較寬的為源極(s)。微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電路符號(hào)如圖

5-8

所示。

圖

5-6

微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

圖

5-7

已封裝的微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管

圖

5-8

微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電路符號(hào)

微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理如圖

5-9

所示。當(dāng)源極(s)和漏極(D)之間沒有外加電壓即

sDs=

0且柵極(G)上也沒有外加電壓時(shí)，整個(gè)器件處于平衡狀態(tài)，所形成的溝道均勻，如圖

5-9(a)所示。

圖

5-9

當(dāng)

sDs>0且值較小時(shí)，有電流

ＩD

流過溝道，可以將溝道視為一個(gè)電阻，電流

ＩD

和電壓sDs成線性關(guān)系，如圖

5-9(b)所示。

當(dāng)

sDs逐漸增大，電流

ＩD

也會(huì)增大，這時(shí)溝道中壓降隨之增大，使溝道兩端電壓不同，以致靠近漏端溝道變窄，如圖

5-9(c)所示。

當(dāng)

sDs增大至某一值時(shí)，靠近漏端的溝道夾斷，這時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓稱為夾斷電壓，同時(shí)流到漏端的電流變?yōu)?/p>

0，如圖

5-9(d)所示。

若

sDs進(jìn)一步增大，就會(huì)使溝道內(nèi)夾斷長(zhǎng)度ΔL

增大，使溝道夾斷更徹底，如圖

5-9(e)所示。

當(dāng)柵極電壓不為

0時(shí)，也有類似的情況。柵極電壓的改變可以整體改變溝道的寬度?？刂茤艠O電壓可以有效減小或增大溝道寬度，從而達(dá)到放大電流ＩD(信號(hào))的目的。

5.2

低噪聲放大器

雷達(dá)接收機(jī)中普遍采用低噪聲放大器(來放大接收到的微弱的回波信號(hào)，如圖

5-10所示。低噪聲放大器位于接收機(jī)前端，這要求它的噪聲越小越好；為了抑制后面各級(jí)噪聲的影響，還要求它有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，增益不能過高。此外，因?yàn)榻邮諜C(jī)接收的信號(hào)通常很微弱，所以低噪聲放大器必須是一個(gè)小信號(hào)線性放大器。

圖

5-10雷達(dá)接收機(jī)示意圖

5.2.1

低噪聲放大器的主要指標(biāo)

1.

噪聲系數(shù)與噪聲溫度

微波放大器接入電路如圖

5-11

所示，圖中

Zs為信號(hào)源內(nèi)阻，ss為信號(hào)電壓，sn為噪聲電壓。

圖

5-11

微波放大器接入電路示意圖

噪聲系數(shù)為放大器的輸入信號(hào)信噪比與輸出信號(hào)信噪比的比值，用字母

F

表示，其定義為

噪聲系數(shù)的分貝表示為

NF

，其計(jì)算式如下：

由式(5-1)可看出，噪聲系數(shù)是指信號(hào)通過放大器后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變差，因此導(dǎo)致信噪比下降的倍數(shù)。

當(dāng)放大器的噪聲系數(shù)很小時(shí)，為了表示方便，采用等效噪聲溫度

Te來表示噪聲系數(shù)，它與噪聲系數(shù)的關(guān)系如下：

式中，T0為環(huán)境溫度，其值為

293

K。理想無噪聲放大器的噪聲溫度為零。

噪聲系數(shù)與等效噪聲溫度的對(duì)比如表

5-1

所示。

2.

功率增益、相關(guān)增益與增益平坦度

(1)

功率增益。

功率增益表示在接入放大器后和接入放大器前負(fù)載上測(cè)得的功率比。設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載阻抗都是

50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗，采用插入法實(shí)測(cè)增益。設(shè)信號(hào)源輸出功率為

P1

，將放大器接到信號(hào)源上，用功率計(jì)測(cè)放大器的輸出功率為

P2

，則功率增益

G

定義為

(2)

相關(guān)增益。

相關(guān)增益是指設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)，其噪聲最佳匹配情況下的增益通常比最大增益小2～4

dB。

(3)

增益平坦度。

增益平坦度是指低噪聲放大器在工作頻帶Δf

內(nèi)功率增益的起伏，常用工作頻帶Δf

內(nèi)的最大增益與最小增益之差ΔG(dB)表示，例如Δf

內(nèi)，ΔG(dB)≤2

dB。

對(duì)于多路通信而言，每個(gè)信道頻率只占數(shù)十兆赫茲。常用增益斜率來表示放大器增益，單位為

dB

/MHz，例如ΔG

=

(0.05～0.1)dB

／10MHz。

放大器的增益和噪聲系數(shù)會(huì)隨頻率的變化而變化，某微波場(chǎng)效應(yīng)管放大器增益及噪聲系數(shù)的頻響曲線如圖

5-12

所示。增益以每倍頻程

6

dB

的規(guī)律隨頻率升高而下降，噪聲系數(shù)隨頻率上升而增大。

圖

5-12

某微波場(chǎng)效應(yīng)管放大器增益及噪聲系數(shù)頻響曲線

3.

工作頻帶

工作頻帶是指低噪聲放大器功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且頻帶內(nèi)噪聲系數(shù)也要滿足要求。

4.

動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是指低噪聲放大器輸入信號(hào)允許的最小功率和最大功率之間的范圍。動(dòng)態(tài)范圍下限

Pmin受低噪聲放大器的噪聲性能限制，計(jì)算式如下：

式中：Nin為放大器輸入端的噪聲功率；

ｋ

為玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.3806505×10－23J/K，T0

為環(huán)境溫度，其值取

293

K；Δfm為信號(hào)頻帶寬度；M為系統(tǒng)允許的最小信噪比。動(dòng)態(tài)范圍上限受低噪聲放大器的非線性限制，如低噪聲放大器輸出功率呈現(xiàn)1dB

壓縮點(diǎn)時(shí)的輸入功率，基本上取決于放大器末級(jí)的功率容量。

5.1dB

壓縮點(diǎn)線性輸出功率

如圖

5-13

所示，當(dāng)?shù)驮肼暦糯笃髟鲆嫦陆档奖染€性增益小1dB

時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出功率定義為1dB

壓縮點(diǎn)輸出功率

Pout，1dB，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入功率稱為1dB

壓縮點(diǎn)輸入功率

Pin，1dB。

圖

5-13

低噪聲放大器的1dB

壓縮點(diǎn)

6.

端口駐波比

端口駐波比通常是指低噪聲放大器輸入端口的駐波比。為了保證放大器的噪聲最低，輸入端往往采用最佳噪聲匹配，因此駐波不好。另外，由于低噪聲放大器頻率低端增益高，

頻率高端增益低，為了獲得工作頻帶內(nèi)相對(duì)平坦的增益，端口駐波比常常隨頻率降低而升高，一般為1.5～3。為了改善端口駐波比，通常加隔離器使駐波比達(dá)到1.2

左右。但加隔離器使低噪聲放大器的噪聲系數(shù)略有增大。

7.

三階交調(diào)系數(shù)

放大器由有源器件構(gòu)成，具有較強(qiáng)的非線性，會(huì)產(chǎn)生很多新的頻率分量信號(hào)。若這些新的頻率分量信號(hào)落入信號(hào)的頻帶內(nèi)，就會(huì)對(duì)原信號(hào)形成干擾。對(duì)于窄帶信號(hào)而言，當(dāng)相鄰信道的兩個(gè)不同信號(hào)同時(shí)進(jìn)入放大器后，就會(huì)產(chǎn)生如

mf1±nf2

的眾多新的頻率信號(hào)，稱為交調(diào)信號(hào)，其中

m+n

稱為交調(diào)信號(hào)的階數(shù)。隨著交調(diào)信號(hào)階數(shù)的升高，交調(diào)信號(hào)會(huì)迅速減小。其中三階交調(diào)信號(hào)由于和原信號(hào)頻率相近，因此會(huì)落入信號(hào)頻帶內(nèi)形成較強(qiáng)干擾。三階交調(diào)信號(hào)是干擾最強(qiáng)的交調(diào)信號(hào)。

如圖

5-14

所示，設(shè)

P3為三階交調(diào)分量

2f1－f2

和

2f2－f1的功率，P1是頻率為

f1

的信號(hào)功率，同時(shí)設(shè)頻率為

f1

的信號(hào)功率大于頻率為

f2

的信號(hào)功率，則三階交調(diào)系數(shù)定義為

圖

5-14

放大器三階交調(diào)失真示意圖

5.2.2

低噪聲放大器的結(jié)構(gòu)及原理

低噪聲固態(tài)放大器采用微波晶體管作為主要部件，其電路結(jié)構(gòu)如圖

5-15

所示，共有四個(gè)基本組成部分，包括微波晶體管(放大管)、輸入匹配網(wǎng)絡(luò)(電路)、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)(電路)、直流偏置電路。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要使放大器的噪聲系數(shù)和增益滿足要求。直流偏置電路提供晶體管合適的工作點(diǎn)及供給直流能量，最終轉(zhuǎn)換成微波功率輸出。

圖

5-15

微波晶體管放大器電路結(jié)構(gòu)

一般晶體管放大器采用共發(fā)射極電路，場(chǎng)效應(yīng)管

FET

采用共源極電路。晶體管共發(fā)射極放大器原理電路如圖

5-16

所示。

圖

5-16

晶體管共發(fā)射極放大器原理電路

圖

5-16

中，直流偏置電路給微波放大管提供直流偏置，使微波放大管工作在合適的工作點(diǎn)，即合適的基極電壓、集電極電壓和發(fā)射極電流，對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管而言是合適的柵極電壓、漏極電壓和源極電流。選取微波放大管的工作點(diǎn)的目的：一是要獲得較高的放大倍數(shù)；

二是要使信號(hào)放大時(shí)，放大器本身產(chǎn)生的噪聲小。放大器的偏置電路與射頻電路之間的正確連接很重要，應(yīng)盡量減小相互間的影響，同時(shí)盡量保證由信號(hào)源端向負(fù)載端傳輸?shù)纳漕l/微波信號(hào)不泄漏，即直流通路與射頻/微波信號(hào)的通路應(yīng)完全隔離，以消除交流信號(hào)與直流源及地之間的耦合。

為此，常采取以下幾種方法：

(1)

在直流源與射頻/微波電路之間連接一個(gè)電感，即通常所說的射頻扼流圈(RFC)。使用“鐵氧體”小環(huán)便可實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的射頻扼流圈。

(2)

在直流源與射頻/微波電路之間連接一個(gè)四分之一波長(zhǎng)的阻抗變換器。其變換段的特性阻抗

Z′0應(yīng)很高(即Z′0?Z0)，使其對(duì)射頻/微波信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)很高的阻抗。

(3)

將一個(gè)大電容(作為負(fù)載)接于四分之一波長(zhǎng)變換器的終端，以有效地短路可能泄漏到直流電路中的射頻/微波信號(hào)。接于四分之一波長(zhǎng)變換器終端的大電容作為負(fù)載在微波頻率下呈現(xiàn)短路，在其輸入端相當(dāng)于開路，從而隔斷了直流與射頻/微波電路之間的通路。

圖

5-15

中，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)均采用單支節(jié)匹配器。圖

5-16(a)中，采用非平衡并聯(lián)開路支節(jié)結(jié)構(gòu)，為獲得更好的輸入電壓駐波比，可以使用如圖

5-16(b)所示平衡或?qū)ΨQ并聯(lián)開路支節(jié)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可減小串、并聯(lián)傳輸線之間的相互影響。為了實(shí)現(xiàn)直流通路和射頻通路的隔離，圖

5-16

中采用了扼流圈和旁路電容(C2

)的方式。圖

5-16中，為了將直流偏置信號(hào)僅限定在該放大器內(nèi)部，在放大器的輸入、輸出端均接有隔直電容(C1

、C3

)。

5.3

功

率

放

大

器

5.3.1

功率放大器的主要指標(biāo)功率放大器主要關(guān)注功率，它除有低噪聲放大器的端口駐波比、功率增益、功率平坦度、動(dòng)態(tài)范圍、工作帶寬、1dB

壓縮點(diǎn)線性輸出功率等指標(biāo)外，還有功率放大器特有的技術(shù)指標(biāo)，如輸出功率、效率、諧波失真等。

1.

輸出功率

功率放大器一般工作于飽和狀態(tài)，輸出的是最大功率。功率放大器所能輸出的最大飽和功率稱為功率放大器的輸出功率。

2.

效率

功率放大器輸出的功率包含兩個(gè)方面：一是信號(hào)的輸入功率；

二是從直流電源輸入轉(zhuǎn)化而來的射頻/微波功率，這是主要部分。在從直流電源輸入轉(zhuǎn)化成射頻/微波功率的過程中，還有一部分功率轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉了。消耗功率的電路包括微波放大管、匹配電路、直流偏置電路等。

功率放大器的效率定義如下：

式中，Pout代表功率放大器的輸出功率，P1代表功率放大器的輸入功率，PDC代表功率放大器的直流偏置提供的功率。

3.

諧波失真

諧波失真又稱交調(diào)失真，對(duì)于小信號(hào)低噪聲放大器注重的是三階交調(diào)失真的影響，對(duì)于功率放大器就要關(guān)注各次諧波信號(hào)和各階交調(diào)信號(hào)的影響。

假設(shè)兩頻率相近信號(hào)輸入功率放大器中，其頻率分別為

f1和

f2

，則功率放大器輸出的信號(hào)中必然包括如下頻率分量：

這些諧波信號(hào)和交調(diào)信號(hào)的頻率分量稱為諧波失真或交調(diào)失真，相應(yīng)各階諧波或交調(diào)失真的系數(shù)Mn定義為各諧波信號(hào)或交調(diào)信號(hào)頻率分量和最強(qiáng)基波信號(hào)分量的功率之比，即

式中，Pn為

n

階諧波或交調(diào)信號(hào)頻率分量的功率，P1為最強(qiáng)基波分量的功率。

可見各階諧波和交調(diào)信號(hào)頻率分量的功率越大，一方面，功率放大器輸出的功率中，有用的基波頻率分量的功率占比就會(huì)越小，造成功率放大器的功率增益下降；

另一方面，會(huì)造成放大信號(hào)的嚴(yán)重失真。

選用功率管來設(shè)計(jì)制作功率放大器時(shí)，應(yīng)基于管子動(dòng)態(tài)輸入和輸出阻抗設(shè)計(jì)相應(yīng)的輸入匹配電路和輸出匹配電路。

5.3.2

功率合成的基本概念

在眾多射頻/微波系統(tǒng)中，微波晶體管功率放大器已逐步取代中等功率的行波管等電真空放大器，但若需要更大的功率則要采用功率合成技術(shù)。所謂功率合成技術(shù)就是將多個(gè)單管輸出的功率，經(jīng)過一定的電路處理后疊加起來，最后得到比單管輸出功率大得多的功率，從而滿足射頻/微波系統(tǒng)的功率要求。通常利用功率混合電路將多路放大器并聯(lián)來完成功率合成。

圖

5-17

為利用多路功率