微波功率晶体管放大器匹配电路的设计

微波晶体管放大器设计导师：学生：1.引言随着通信技术特别是无线通信技术的飞速发展，人们对于无线通信终端的要求进一步提高，作为承担天线感应下来的微弱信号放大任务的低噪声放大器也必须进一步的适应通信信号对其的要求。

通信信号本身就是高频载波信号，这就要求低噪声放大器能够在高频情况下工作。

由于硅器件的截止频率f T 为50GHz 的理论极限已在日趋接近。

在这种情况下，由于三~五族化合物半导体GaAs 的电子迁移率比硅高出5倍，目前的戒指频率f T 已经超过了100GHz ，集成化技术也取得很大进展，但是GaAs 材料具有明显的缺点：价格贵它的晶片制造工艺复杂，难度大，机械强度不好，容易碎片；热导率低，只有硅材料的1/3。

更主要的是GaAs 工艺与硅平面工艺不能兼容。

使得现有的无法继续使用，如更换器材成本太大。

所以这些缺点很大程度上影响了GaAs 器件及其集成电路技术的发展。

在本世纪80年代，在硅片上外延生长出了高质量的SiGe 应变材料，人们利用“能带工程”理论成功地研制出Si 1-x Ge x 基区的双极性异质结晶体管，由于Si 1-x Ge x 应变材料，电子迁移率高，其禁带宽度可通过Ge 组分变化调节的优点，显示出独特的有价值的物理性质。

在高频、高速、光电、低温等器件及集成电路应用方面有非常重要的意义。

2.国内外SiGe 技术的研发现状早在20世纪50年代中期，Kroemer 就提出异质结器件的原理和概念。

由于Si 和Ge 晶格失配达4％，SiGe 材料的制备有很大难度。

直到80年代，异质结技术才有明显发展。

早期在Si 衬底上生长SiGe 外延层的研究主要采用MBE 方法。

1975年，Kasper等人发表了关于在Si衬底上MBE生长Si/Ge超晶格的文章，对SiGe生长中由于晶格失陪引起的位错以及位错对电学和光学性能的影响进行了许多研究，生长出全应变，低缺陷密度的高质量SiGe/Si异质结材料。

随后各种SiGe/Si异质结期间相继研制成功，如：SiGe HBT，应变SiGe沟道的P-MosFET和超过200GHz，2GHz下，驰豫SiGe/Si应变电子沟道N-MosFET。

微波电路及设计的基础知识1. 微波电路的基本常识2. 微波网络及网络参数3. Smith圆图4. 简单的匹配电路设计5. 微波电路的电脑辅助设计技术及常用的CAD软件6. 常用的微波部件及其主要技术指标7. 微波信道分系统的设计、计算和指标分配8. 测试及测试仪器9. 应用电路举例微波电路及其设计1.概述所谓微波电路，通常是指工作频段的波长在10m～1cm(即30MHz～30GHz)之间的电路。

此外，还有毫米波〔30～300GHz〕及亚毫米波〔150GHz～3000GHz〕等。

实际上，对于工作频率较高的电路，人们也经常称为“高频电路”或“射频〔RF〕电路”等等。

由于微波电路的工作频率较高，因此在材料、结构、电路的形式、元器件以及设计方法等方面，与一般的低频电路和数字电路相比，有很多不同之处和许多独特的地方。

作为一个独立的专业领域，微波电路技术无论是在理论上，还是在材料、工艺、元器件、以及设计技术等方面，都已经发展得非常成熟，并且应用领域越来越广泛。

另外，随着大规模集成电路技术的飞速发展，目前芯片的工作速度已经超过了1GHz。

在这些高速电路的芯片、封装以及应用电路的设计中，一些微波电路的设计技术也已得到了充分的应用。

以往传统的低频电路和数字电路，与微波电路之间的界限将越来越模糊，相互间的借鉴和综合的技术应用也会越来越多。

2.微波电路的基本常识2.1 电路分类2.1.1 按照传输线分类微波电路可以按照传输线的性质分类，如：图1 微带线图2 带状线图3 同轴线图4 波导图5 共面波导2.1.2 按照工艺分类微波混合集成电路：采用别离组件及分布参数电路混合集成。

微波集成电路〔MIC〕：采用管芯及陶瓷基片。

微波单片集成电路〔MMIC〕：采用半导体工艺的微波集成电路。

图6微波混合集成电路例如图7 微波集成电路〔MIC〕例如图8微波单片集成电路〔MMIC〕例如2.1.3 微波电路还可以按照有源电路和无源电路分类。

基于ADS的功率放大器设计与仿真[图]0 引言随着无线通信技术的发展，无线通信设备的设计要求也越来越高，功率放大器作为发射机最重要的部分之一，它的性能好坏直接影响着整个通信系统的性能优劣，因此，无线系统需要设计性能良好的放大器。

通过采用EDA工具软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能，进一步优化设计参数，以达到加速产品开发进程的目的。

本文仿真设计采用恩智浦半导体的LDMOS晶体管BLF6G27-10G，该晶体管工作频段在2500～2700 MHz之间，直流28V供电。

具有很好的线性度，它采用特殊工艺，具有良好的热稳定度。

同时使用EDA软件，利用负载牵引和源牵引相结合的方法进行设计，使其输出功率在频率为2.6GHz时达到6.5W。

1 功率放大器的相关设计理论对于任何功率放大器，它必须在工作频段内是稳定的，同时它应该具有最大的输出功率和最佳的输出效率，因为输出功率决定了通信距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。

在功放的匹配网络设计中，需要选择合适的源阻抗和负载阻抗，而他们的选择和功率放大器的稳定性、输出功率、效率以及增益息息相关。

1.1 稳定准则稳定性是指放大器抑制环境的变化(如信号频率、稳定、源和负载等变化时)，维持正常工作特性的能力，一个微波管的绝对稳定条件是：在选定的晶体管的工作条件下若满足K>1，则此时放大器处在绝对稳定状态，若不满足此条件，则需进行稳定性匹配电路的设计。

1.2 功率增益放大器的功率增益(Power Gain)有几种不同的定义方式，在这里只介绍工作功率增益，这是设计时较为关心的量，它定义为负载吸收的功率与放大器的输入功率之比。

1.3 功率附加效率(PAE)功率附加效率是指射频输出功率和输入功率的差值与供给放大器的直流功率的比值，它既反映了直流功率转化为射频功率的能力，又反映了放大射频功率的能力。

1.4 1dB功率压缩点(P1dB)当晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益开始下降，或者称为压缩。

功率放大器(PA)介绍大体流程大纲1.基本电路结构与电路原理2.主要技术指标3.匹配设计4.直流偏置电路5.线性功放设计上海市共进通信技术有限公司基本电路原理PA功放分类按材料分：Si/SiGe---CMOS BJT工艺（Axiom）GaAs/GaN/InP------ MESFET(RFMD/Skyworks/Triquint/Anadigics、日商)按晶体管类型分：双极结型晶体管（BJT）异质结双极型晶体管（HBT）高电子迁移率晶体管（Phemt）上海市共进通信技术有限公司基本电路原理上海市共进通信技术有限公司主要技术指标—工作频带工作频带是指放大器应满足全部性能指标的连续频率范围。

硅双极型晶体管功率放大器和硅金属氧化物场效应管功率放大器的工作频率是从300MHz到4GHz.砷化镓场效应管功率放大器的工作频率是从1GHz到几十ＧＨz,通常分为S、Ｌ、Ｃ、Ｘ、Ｋu、Ｋa波段等等。

上海市共进通信技术有限公司主要技术指标—输出功率最好的功率匹配并不能得到最好的增益匹配。

通常高功率器件的增益低于低功率器件的增益。

在宽带系统中要想得到较好的功率输出是很难实现宽带匹配的。

1．饱和输出功率当功率放大器的输入功率加大到某一值后，再加大输入功率并不会改变输出功率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率。

2．1dB压缩点输出功率P1dB功率放大器增益压缩1dB所对应的输出功率称为1dB压缩点输出功率，记作P1dB。

上海市共进通信技术有限公司主要指标—功率效率和功率附加效率功率放大器的功率效率0 是功率放大器的射频输出功率与供给晶体管的直流功率之比。

P射频输出功率直流输入功率对于双极晶体管情况，P 称为集电极效率，对于MOSFET 和MESFET，称之为漏极效率。

显然，这种定义并没有考虑晶体管的放大能力，即具有相同功率效率的两个晶体管的功率增益可以差别很大。

通常，在设计功率放大器时，希望用功率增益高的功率晶体管。

微波功率晶体管设计这里设计的微波功率晶体管将用于甲类放大,其设计指标如下: 工作频率f=2GHz 功率增益Kp=10Db 效率n=40% 输出功率0P =1W 电源电压cc V =20v1.1一般考虑 :在发射极甲类运用时，根据图，晶体管的集电极与发射极之间应当能承受的电压峰值为2cc V ，故240CEO cc BV V V ≥=。

根据式0max 2C ccP I V =，最大集电极工作电流为max C I =0.2A 。

根据式OCM P P η=，最大耗散功率为CM P =2.5W 。

选取最高结温jM T =150℃；环境温度a T =25℃；根据式()jM a CM TT T P R -=，热阻T R =50℃/W 。

当考虑到各寄生参数和发射极整流电阻R E 对功率增益的影响后，高频优值2p K f 可表示为2'8()T p ob bb E T e f K f C r R f L ππ=++当工作频率f=2GHz 时，要获得功率增益K p =10dB ，则特征频率f T 应该选的稍高一些。

如果选取f T =3.6GHz ，则要求12'() 3.610ob bb E T e C r R f L s π-++≤⨯这对C ob 、r bb ’、R E 和L e 的要求是很高的。

为此可考虑采取以下措施。

（1） 采用砷硼双离子注入工艺，以获得较小的基极电阻r bb ’和较小的宽度W B 。

（2） 采用1um 精度的光刻工艺，以获得较小的发射区宽度s e ，从而降低r bb ’和各势垒电容。

（3） 基区硼离子注入剂量不宜过低，以降低r bb ’，并保证基区不致在工作电压下发生穿通。

（4） 采用多子器件结构，将整个器件分为四个子器件，每个子器件的输出功率为0.25W ，最大集电极工作电流为0.05A ，热阻为200℃/W 。

这种考虑有利于整个芯片内各点的结温均匀化，从而可降低对整流电阻R E 的要求，因此可以选取最小的R E 以提高K p 。

107电子技术 半导体功率器件GaN 作为一种新型晶体管，其电子迁移率高、频带宽、击穿场强高以及功率密度大等特点，这使得其适用于高功率、高频率的功率器件。

宽频带半导体功率元器件被广泛应用于民用和军用的雷达、通信等领域，使电子信息系统的性能得到极大提升[1]。

本文利用了AgilentADS 仿真软件设计一种C 波段功率放大器，具有2.5G 的带宽，主要适用于无线通信、雷达等。

该C 波段功率放大器的技术参数为在4—6.5GHz 波段范围内，其输入功率为0dBm，输出放大功率为38dBm，带内波动范围为<±1dB。

1　射频功率放大器工作原理 对射频功率放大器进行总体设计时，结合功率放大器的输出功率、工作频带特点，先分级设计，而后再将各级级联的设计思路。

本文中设计的功率放大器模块设计为两级放大，以C 波段的功率放大模块EMM5078ZV 作为驱动级放大设计，GaN 功率管TGF2023作为功放级放大设计。

驱动级放大电路设计重在提高增益，并保证增益相应的平坦度；而功放级电路设计则侧重于输出功率的保障[2]。

2　射频功放器设计2.1　功放级设计 基于市场上提供的绝大多数GaN 射频功放管其厂商并未提供大信号模型，缺少DesignKit，因此，本设计中使用的GaN 功率管TGF2023其带内S 参数在数据文件中提供。

GaN 管的静态工作点（漏极电流和偏置电压、栅极偏置电压）通过直流偏置仿真确定。

通过对ADS 中场效应管直流仿真模板图的引入，同时增设二端口模型，将其导入S 参数的文件，并且将直流偏置仿真控件加入其中，最后确定VDS=28V 和IDS=0.5A 条件下的VGS 结果。

栅极偏置电压则通过仿真结果得到VGS=-1V，漏极电流0.535A。

通过将GaN 管封装参数导入输出匹配的电路中，从而使场效应管输出匹配电路得到优化，进而向输出电路提供可靠的负载阻抗。

因此，这就要求得到Cds 的参数值。

晶体管两级放大电路的设计与制作1. 引言晶体管是一种半导体器件，广泛应用于电子电路中。

晶体管可以实现信号放大的功能，而晶体管两级放大电路是一种常见的电路结构，用于增强输入信号的幅度。

本文将介绍晶体管两级放大电路的设计与制作过程。

2. 电路设计晶体管两级放大电路由两个级联的放大器组成，每个放大器中都包含一个晶体管。

在设计过程中，需要考虑以下几个方面：2.1 放大倍数根据实际需求确定所需的放大倍数。

放大倍数越高，输出信号的幅度将越大。

2.2 输入与输出阻抗匹配为了最大限度地传递信号能量，输入与输出阻抗应该尽可能地匹配。

这可以通过合适选择元件值和连接方式来实现。

2.3 直流偏置为了使晶体管工作在合适的工作点上，需要对其进行直流偏置。

这可以通过添加适当的偏置网络来实现。

2.4 反馈网络为了提高电路的稳定性和线性度，可以添加反馈网络。

反馈网络可以减小电路的非线性失真，并改善频率响应。

2.5 负载电阻为了使输出信号能够驱动负载，需要添加适当的负载电阻。

负载电阻的选择应该考虑负载的阻抗和所需的输出功率。

3. 电路制作3.1 元件选择根据设计要求选择合适的晶体管、电容和电阻等元件。

在选择过程中，需要考虑元件参数、性能和可获得性等因素。

3.2 PCB设计使用PCB设计软件进行电路布局和布线。

合理规划元件位置和连线路径，以确保信号传输的稳定性和可靠性。

3.3 焊接与组装根据PCB设计将元件焊接到PCB板上。

注意焊接质量和连接可靠性，确保每个连接点都牢固可靠。

3.4 测试与调试完成焊接后，对电路进行测试与调试。

使用示波器、信号发生器等仪器检测输入输出信号，并根据实际情况调整元件值或连接方式。

4. 结论晶体管两级放大电路是一种常见的电路结构，用于增强输入信号的幅度。

在设计与制作过程中，需要考虑放大倍数、输入输出阻抗匹配、直流偏置、反馈网络和负载电阻等因素。

通过合理选择元件和进行电路布局、焊接与组装，可以实现晶体管两级放大电路的设计与制作。

基于谐波抑制的内匹配高效GaN功率放大器设计张书源;钟世昌【摘要】采用了内匹配技术和谐波抑制技术,设计并实现了一款3.8 GHz～4.2 GHz的功率放大器设计.该放大器采用南京电子器件研究所自主研制的的GaN HEMT管芯芯片.通过优化设计该放大器在10%的相对带宽、漏源电压28 V、10%占空比的脉冲输入的工作条件下,实现了输出峰值功率Pout大于40 W,漏极输出功率效率大于60%,充分显示了GaN功率器件宽带、高效和高功率的工作性能,具有广阔的工程应用前景.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2019(042)003【总页数】5页(P608-612)【关键词】内匹配;高效率;谐波抑制;功率放大器【作者】张书源;钟世昌【作者单位】南京电子器件研究所,南京210016;南京电子器件研究所,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TN722.7近年来,宽禁带材料与微波功率器件发展非常迅猛。

GaN材料作为第三代半导体的典型代表,具有很多优异的特性,如禁带宽度宽、击穿场强高、热传导率高和峰值电子漂移速度高,所以GaN材料可以很好地满足高温、高频和高功率等工作要求。

同时由于目前的电子整机系统要求功率放大器具有较宽的带宽、较大的功率和较高的效率,而GaAs器件受自身功率密度的限制,在兼顾体积时不能保证较大功率的输出,并且用GaAs器件制作的功率放大器效率较低。

相比之下GaN器件在这方面的优点就变得非常突出,GaN器件制成的功率放大器的效率高于GaAs,且GaN可以高电压工作的特点将会使其成为未来工程应用的首选[1]。

本文采用了内匹配的方式,即在管壳内部引入匹配电路,通过较高精度的薄膜电路对功率芯片进行匹配,可进一步减小外界寄生参数对电路性能的影响,有利于电路的设计。

运用传输线理论和二次谐波抑制技术,采用单胞的电路结构,使用微波仿真软件ADS进行阻抗匹配电路设计。

1 功放的设计1.1 器件的选择设计功率放大器时,选择合适栅宽的功率芯片很重要,如果功率芯片的栅宽太小,则无法输出所要求的功率;如果栅宽过大,又会造成效率的降低。

晶体管两级放大电路的设计与制作1. 引言晶体管两级放大电路是一种常见的电子电路设计，在许多电子设备中都得到了广泛的应用。

本文将详细介绍晶体管两级放大电路的设计原理、电路结构以及制作过程。

2. 设计原理晶体管两级放大电路通过使用晶体管作为放大器，将输入信号放大到更高的电压或电流，以便驱动其他设备或用于信号处理。

该电路由两个放大级组成，其中第一个级别负责放大信号并提供适当的输入阻抗，而第二个级别则进一步放大信号以增加输出功率。

3. 电路结构晶体管两级放大电路通常由三个主要部分组成：输入级、驱动级和输出级。

具体结构如下：3.1 输入级输入级是整个电路的第一级，用于接收输入信号并将其放大到适当的电平。

输入级由一个信号源接入，通常采用电容耦合方式。

输入级的目标是提供足够的放大和阻抗匹配以确保信号能够顺利传递到下一级驱动级。

3.2 驱动级驱动级是整个电路的第二级，目的是进一步放大输入信号并将其驱动到输出级。

驱动级通常由晶体管级联组成。

通过适当选择晶体管的工作点，可以实现线性放大和输出功率的最大化。

3.3 输出级输出级是整个电路的最后一级，负责将放大的信号转化为输出功率。

输出级通常由功率晶体管组成，因其能够提供足够的电流和电压驱动能力。

输出级还可能包含负载电阻，以将信号有效地传递给负载。

4. 制作过程下面将介绍晶体管两级放大电路的制作过程，包括器件选择、电路布局、电路连接和焊接。

4.1 器件选择在设计晶体管两级放大电路之前，首先要选择合适的晶体管和其他电子器件。

晶体管的选择应基于其放大能力、工作频率范围和耐压等参数。

其他电子器件的选择也应与电路设计相匹配，以确保性能和兼容性。

4.2 电路布局在开始制作电路之前，需要进行电路布局设计。

电路布局应考虑信号路径的最短化、阻抗匹配和噪声抑制等因素。

同时，良好的电路布局还应避免晶体管以及其他器件之间的干扰和串扰。

4.3 电路连接完成电路布局后，开始进行电路连接。

这包括连接晶体管和其他器件之间的引脚，以及连接适当的外部元件，如电容和电阻等。