1、1,1.8 微波功率放大器,1. 功率单位微波功率放大器一般指P1W。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。,1.8.1 基本指标,2. 电源效率,例如：1mW=0dBm 1W=1000mW=30dBm 10W=40dBm,反映了把直流功率转换成射频功率的能力，但不能反映功率放大能力。,2,3. 功率附加效率(Power added efficiency),既反映功率转换能力又反映功率放大能力。,4. 1dB压缩点(1dB Gain Compressed Point)输出功率 P1dB,G1dB- 增益下降1dB点 P1dB- G1dB对应的输出功率
2、Pin - P1dB对应的输入功率,3,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 。,有关定义：,在P1dB点有： 10lgP1dB=10lg(G0Pin)-1 dB 即P1dB=Pin+G0dB-1 dBm 或 G1dB=G0dB-1 dB,4,5. 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
3、将出现交叉调制谐波。,三阶交调分量(|m|+|n|=3时)：,最靠近有用信号的杂波分量，将造成话路串扰、误码率增加。,5,输入信号：,输出信号：,三阶交调系数,放大器输入、输出曲线,输入输出电压拟合：,衡量放大器非线性失真的程度,(k0，k1，为实常数，V1),6,小信号功率增益：,* k1为小信号电压增益；k3为负，代表压缩特性。,非线性基波功率增益：,非线性基波电压增益：,7,1dB压缩点三阶交调系数,实际经验值略小，通常取M3 1dB -23dB,输入：,输出基波：,(使总功率保持不变),三阶交调分量：,8,6. 三阶交调截止点,A很小时的基波：,三阶交调分量：,基波输出功率：,三阶交调
4、输出功率：,结论：当Pin减小1dB时，Pout减小1dB，P3减小3dB 即：输入功率每减小1dB，三阶交调系数改善2dB。,9,任意输入功率时的三阶交调系数,由于,小信号工作时,为获得高指标线性度常用功率倒退法：输入功率倒退1dB，M3改善2dB。,10,这个规律虽不严格但非常准确。,倒退值：,三阶交调截止点,需要输入功率：,11,7. 调幅、调相转换系数,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。,基波电压增益：,微波有相移网络,低频无相移网络,12,AM/PM转换系数 输入单频等幅信号时，输出信号相位变化(单位：
5、弧度)与输入信号功率变化(单位： dB)的比值。,调幅信号(A变化) ：,输入,g(A)：AMAM特性，输入输出幅度不成正比 (A)： AMPM特性，输入输出相位有变化,输出,输入信号幅度变化引起：交调失真、群时延失真、频谱展宽,13,1.8.2 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。,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。,14,S参数随Pin变化规律：,S11 只变相位 S21 只降模值 S22 只降模值 S12 只升模值,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,
6、一般用模型法,2. 大信号S参数法输入信号加大，功率管呈非线性,15,3. 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。,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。,16,FET 等效电路,4. 大信号非线性模型法(谐波平衡法),电路中5个非线性元件：,ID-f1(Vgi, VDS) 跨导非线性 Gds-f2(Vgi, VDS) 输出电导 C
7、gs-f3(Vgi) 栅源结变电容 IG-f4(Vgi) 输入功率加大后出现的正栅压导致正向栅极电流 IB-f5(Vgi) 大漏压导致栅漏之间的反向击穿电流,17,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,18, 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,19,微波二极管,混频 肖特基势垒管(面接触)，点接触 振荡 体效应管(甘氏管)，雪崩管 控
8、制 PIN管 调频 变容管 倍频 变容管，阶跃恢复管 放大 变容管，体效应管 检波 反向管，低势垒管 整流 平面管，闸流管 控温 致冷PN结,20,2.2 肖特基势垒二极管 (Schottky Barrier Diode),混频管基本要求噪声小，变频损耗小，结构外形合理,管芯结构N+ 基片(Si)：0.10.2mm 外延：纯度高，结构细，晶格错位少保护绝缘层SiO2开窗蒸发金属构成势垒欧姆接触,21,混频二极管封装,环氧树脂封装塑料封装陶瓷封装梁式引线管,22,混频二极管封装和等效电路,LS - 引线电感，要短 CP - 管壳寄生电容(与管壳材料、形状有关) RS - 串联电阻，包括N型半导体
9、层的体电阻、衬底电阻、电极的欧姆接触电阻(与材料、工艺有关)Cj - 结电容，结面积要小Rj - 结电阻,23,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,24,混频二极管电特性,1. I-V 特性,IS反向饱和电流， n工艺理想因子 K波尔兹曼常数 e电子电荷,VB击穿电压,25,2 . C-V 特性,Cj(0) - V=0时的结电容，0.050.3pFV- 外电压 - 接触势垒电位：GaAs-0.8 1.1V，Si-0.4 0.6V
10、公式有效范围 V0.9 V 0.9 时,26,3. 串联电阻RS取决于半导体材料和工艺N型半导体电导率： eNDnND-施主杂质浓度n-N型半导体电子迁移率P型半导体电导率： eNApNA-受主杂质浓度p-P型半导体电子迁移率N型比P型迁移率高GaAs比Si高(6倍)，InP更好。常用N型GaAs,RS引起有用信号损失、降低截止频率、增加热噪声,27,4. 微分电导,动态电阻,g大，变频损耗低(即工作点电流愈大变频损耗愈低),5. 截止频率,工作频率增高时，损耗加大，当管的品质因数降为1时，将失去混频作用而成为纯损耗器件。,时，损耗极大，定义为截止频率,28,6. 混频器变频损耗 定义：,失配
11、损耗 ：取决于混频器微波输入和中频输出端口的匹配程度。(0.51dB),S、 i 是微波输入和中频输出端口的驻波比。,混频二极管的管芯结损耗 r：,Cj、Rj 随本振激励功率变化而变化。,混频器的非线性电导净变频损耗 g,29,7. 中频阻抗 当二极管加上额定本振功率(通常为1mW)时，对指定中频所呈现的阻抗。典型值在200600 。,8. 商品混频管提供的参数 变频损耗：典型值35dB噪声系数：典型值48dB中频阻抗：典型值200600,30,2.3 非线性电阻混频原理,Vd-直流工作点,肖特基势垒二极管：,本振 1mW,信号 10-310-8mW,31,由于VLVS，工作点随VL周期变化,
12、在工作点(Vd+VLcosLt)上展开成泰勒级数,式中,32,或,33,二极管电流中的交流小信号成分：, 各高次谐波,34,中频： if = S- L (S L)if = L- S (L S) 信号的镜频(S L) ： i = 2L- S(image frequency) = L- if= S- 2if,中频成分：,镜频幅度由g2VS决定，由于if S，而镜频距信频仅2倍中频，往往在信号通带之内，镜频分量在信号源内阻上会造成功率损耗。,35,如果信号源端设计成电抗终端，如果相位合适，使镜频能量反射回二极管，镜频和本振再混频，产生中频(L- i = if)，减小净变频损耗，叫镜频能量回收。A.
13、相位不合适，损耗在RS上；B. 高次谐波能量很小，回收效率太低，意义不大。 本振二次谐波以上各分量很小，且其频率往往在信号通带之外，简化分析时可以忽略不计。,分析和设计混频器电路时要特别考虑：信号S，本振频率L，中频if，镜频i 输出电路抑制掉S、L、i,36,2.4 微波混频器电路,2.4.1 单管混频器(书2.4.12) 基本组成部分： 混频管 - fC 10fS混合隔离电路 - 信号与本振隔离，互不影响充分利用信号，防止反射。* 隔离度不足：本振反射发射信号；信号被漏掉，变频损耗大。* 隔离度太大：本振功率源浪费；本振功率不足，变频损耗大。,37,中频、滤波 - 取出fif，滤除fS、f
14、L 直流与中频通路：保证二极管正常工作。* 直流工作点V高，节省本振功率，变频损耗大，Zin降低。匹配 - fS、fL* 由于信号电平较小，首先应保证信号路匹配，定向耦合器和阻抗变换器设计时中心频率按信号频率考虑。,38,39,2.4.2 平衡混频器(书2.4.3),优点： 电桥 - 改善隔离，充分利用信号、本振功率，增大信号动态范围 减弱本振噪声，改善噪声系数 抑制谐波，减少失真、干扰与损耗,一、900移相型 混频管两只，特性一致 混频管经匹配电路变为与电桥输出口阻抗匹配 分支电桥，均分功率，隔离本振和信号 微波接地用四分之一波长开路微带 两混频管直流闭合 需中频通路,40,41,90移相变
15、阻抗电桥 混频管阻抗经移相成纯阻RD 变阻抗电桥 3，4 口阻抗为RD 微波接地用扇形线,42,常用电桥,43,1. 混频管上的相位关系,规定二极管上电压、电流以二极管导通方向为正方向,信号,本振,中频,输出,电导,假设S L，if = S- L,44,信号,本振,中频,输出,电导,输入信号、本振功率平分加到两个混频管，得到充分利用。降低了对本振输出功率的要求，增加了输入信号的动态范围一倍。,45,2. 混频器噪声,本振携带的信频噪声分成2路加在两只混频管上,两管产生的中频噪声,输出的中频噪声,* 本振携带的信频噪声在两管产生的中频噪声相互抵消。,46,本振携带的镜频噪声 - 同样情况,* 本
16、振携带的镜频噪声在两管产生的中频噪声相互抵消。,47,3. 混频器的组合频率 (自学书p.74),两管输出端电流,表示成傅立叶级数,总电流,m = n各项不存在 相差2 的各项不存在 （例 m=1，n=3，),二、1800移相型混频器本振反相型（1800） 信号同相（00）特点： 尺寸大 本振偶次谐波组合频率(nLS，n=2，4，6，)无输出 结构复杂,49,规定二极管上电压、电流以二极管导通方向为正方向,信号,本振,中频,输出,电导,假设S L，if = S- L,50,信号反相型(避免线路交叉)信号反相、本振同相 偶次谐波抵消 尺寸小,信号对本振隔离度高：本振功率由4和3端口反射的信号在1端口抵消。 驻波比差：本振、信号的两管反射在各自输入端口叠加。,
