微波功率放大器.ppt

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,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,P,1dB,G,1dB,-增益下降1dB点 P,1dB,-G,1dB,对应的输出功率,P,in,-P,1dB,对应的输入功率,1,输入功率较小时，增益为常数，称为小信号线性增益,G,0,；,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,G,0,下降,1dB,时，称为“,1dB,压缩点增益”,G,1dB,，,对应的输出、输入功率称为“,1dB,压缩点输出功率”,P,1dB,及“,1dB,压缩点输入功率”,P,in,。,有关定义：,在P,1dB,点有：,10lgP,1dB,=10lg(G,0,P,in,)-1 dB 即,P,1dB,=P,in,+G,0dB,-1 dBm,或,G,1dB,=G,0dB,-1 dB,2,5.三阶交调,(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。,3,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,(,k,0,，,k,1,，,，为实常数，V1),4,小信号功率增益：,*k,1,为小信号电压增益；k,3,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：,5,1dB,压缩点三阶交调系数,实际经验值略小，通常取,M,3 1dB,-23dB,输入：,输出基波：,(使总功率保持不变),三阶交调分量：,6,6.三阶交调截止点,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P,in,减小1dB时，P,out,减小1dB，P,3,减小3dB,即：输入功率每减小1dB，三阶交调系数改善2dB。,7,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,，,M,3,改善,2dB,。,8,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：,9,7.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,10,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),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,11,1.8.2 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。,12,S,参数随,P,in,变化规律：,S,11,只变相位 S,21,只降模值,S,22,只降模值 S,12,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，功率管呈非线性,13,3.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Z,in,、Z,out,，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。,14,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：,I,D,-f,1,(V,gi,V,DS,)跨导非线性,G,ds,-f,2,(V,gi,V,DS,)输出电导,C,gs,-f,3,(V,gi,)栅源结变电容,I,G,-f,4,(V,gi,)输入功率加大后出现的正栅压导致,正向栅极电流,I,B,-f,5,(V,gi,)大漏压导致栅漏之间的反向击穿电流,15,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,16,2.1 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,17,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，低势垒管,整流 平面管，闸流管,控温 致冷,PN,结,18,2.2 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,SiO,2,开窗,蒸发金属构成势垒,欧姆接触,19,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,20,混频二极管封装和等效电路,L,S,-,引线电感，要短,C,P,-,管壳寄生电容,(,与管壳材料、形状有关,),R,S,-,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,),C,j,-,结电容，结面积要小,R,j,-,结电阻,21,封装形式比较,陶瓷封装,性能好,(C,P,、,L,S,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,22,混频二极管电特性,1.,I-V,特性,I,S,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,V,B,击穿电压,23,2.,C-V,特性,C,j,(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 VV,S,，工作点随V,L,周期变化,在工作点,(,V,d,+V,L,cos,L,t,),上展开成泰勒级数,式中,30,或,31,二极管电流中的交流小信号成分：,各高次谐波,32,中频：,if,=,S,-,L,(,S,L,),if,=,L,-,S,(,L,S,),信号的镜频,(,S,L,),：,i,=2,L,-,S,(image frequency)=,L,-,if,=,S,-2,if,中频成分：,镜频幅度由,g,2,V,S,决定，由于,if,10f,S,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。,35,中频、滤波,-,取出,f,if,，,滤除,f,S,、,f,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，,Z,in,降,低。,匹配,-,f,S,、,f,L,*,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。,36,37,2.4.2 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、90,0,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,38,39,90,移相变阻抗电桥,混频管阻抗经移相成纯阻,R,D,变阻抗电桥,3,，,4,口阻抗为,R,D,微波接地用扇形线,40,常用电桥,41,1.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,42,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。,43,2.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。,44,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。,45,3.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,，,.),46,二、180,0,移相型混频器,本振反相型,（180,0,）信号同相（0,0,）,特点,：,尺寸大,本振偶次谐波组合频率,(n,L,S,，,n=2,，,4,，,6,，,),无输出,结构复杂,47,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,48,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。,49,