微波功率放大器ppt课件.ppt

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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Pin-P1dB

2、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，多个微波信号之间将出现交叉调制 谐波。,三阶

3、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：,三阶交调输出功率：,结论：当Pin减小

4、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：弧度)与输入信号功率变化(单位：dB

5、)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,一般用模型法,2.大信号S参数法 输入信号加大，

6、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Cgs-f3(Vgi)栅源结变电容IG-f4(Vgi)输入功率加大后

7、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，

8、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,2

9、3,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，0.050.3pF V-外电压-接触势垒电位：GaAs-0.8 1.1V，Si-0.4 0.6V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

10、半导体电子迁移率 P型半导体电导率：eNAp NA-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,2023/1/19,27,可编辑,28,4.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,29,6.混频器变频损耗 定义：,失配损耗：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

11、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,30,7.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200600,31,2.3 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,32,由于VLVS，工作点随VL周期变化,在工作点(Vd+VLcosLt)上展开成泰勒级数,式中,33,或,34,二极管电流中的交流小信号成分：,各高

12、次谐波,35,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。,36,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.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

13、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,37,2.4 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。,38,中频、滤波-取出fif，滤除fS、fL 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

14、计时中心频率按信号频率考虑。,39,40,2.4.2 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,41,42,90移相变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,43,常用电桥,44,1.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,

15、假设S L，if=S-L,45,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。,46,2.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。,47,本振携带的镜频噪声-同样情况,*本振携带的镜频噪声在两管产生的中频噪声相互抵消。,48,3.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,50,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,51,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。,2023/1/19,52,可编辑,