基于ADS的射频功率放大器设计与仿真.pdf

1S4240G分类号 TN722.3 学号 GS08041071UDC 密级 公开工程硕士学位论文基于ADS的射频功率放大器设计与仿真 _学科领域 电子与通信工程研究方向 电路与智能系统设计与应用 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文目录摘要.iABSTRACT.ii第一章绪论.11.1 课题研究的目的和意义.11.2 国内外研究现状.11.2.1 射频器件方面.21.2.2 射频技术方面.31.23电 路设计方面.313本文研究的主要工作和结构安排.4第二章射频放大电路的基本理论.62.1 弓I言.62.2 非线性有源器件的等效模型.62.2.1 非线性双极型器件模型.72.2.2 非线性场效应晶体管器件模型.823传输线理论.1023.1 均匀微带传输线.102.3.2二端口网络散射矩阵.112.4 阻抗匹配网络设计.122.4.1 集总参数匹配网络.122.4.2 分布参数匹配网络.,.152.5 晶体管放大器的稳定性分析.162.6 小结.18第三章射频功率放大器设计理论基础.203.1 射频功率放大器的性能指标分析.203.2 放大器的工作方式.253.2.1 A类射频功率放大器.253.2.2 B类射频功率放大器.263.2.3 AB类射频功率放大器.273.2.4 C类射频功率放大器.273.2.5 D类射频功率放大器.28326 E类射频功率放大器.28第I页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文3.2.7 F类射频功率放大器.283.3 射频功率放大器的非线性分析.283.3.1 功率放大器的非线性失真.293.3.2 功率放大器的非线性分析模型.313.4 射频功率放大器的线性化技术.383.4.1 功率回退.393.4.2 前馈.393.4.3 预失真.393.4.4 负反馈法.403.5 射频功率放大器的直流偏置电路设计.403.6 射频功率放大器的匹配电路设计.413.6.1 输入匹配电路.423.6.2 输出匹配电路.433.6.3 级间匹配电路.433.6.4 阻抗匹配设计方法概述.443.7 小结.45第四章 射频功率放大器的仿真设计与分析.464.1 射频功率放大器的设计概述.464.1.1 射频功率放大器的设计要求.464.1.2 射频功率放大器设计的般步骤.474.1.3 射频功率放大器设计的难点.474.1.4 元器件的选择.474.2 射频功率放大器仿真设计软件的介绍.494.3 射频功率放大器的仿真.504.3.1 射频功率放大器的设计参数.504.3.2 静态工作点的选择.504.3.3 偏置及稳定性分析.514.3.4 输入输出匹配.534.3.5 谐波平衡仿真.544.3.6 电路优化设计.564.3.7 改善功率放大器的非线性失真.584.3.8 印制电路版图.5943.9实 际需要考虑的几个问题.604.4 小结.62第II页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文第五章总结与展望.645.1 总结.645.2 展望.65致谢.67参考文献.68作者在学期间取得的学术成果.71附录A优化后的功率放大器匹配电路图.72第III页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文图目录图2.1大信号Ebers-Mo【l模型.7图2.2 Curtice-Ettenberg立方非线性本征模型.9图2.3均匀传输线的微分等效电路图.10图2.4二端口网络.11图2.5 S参数的信号模型.12图2.6 L形匹配网络基本电路及相关方程.13图2.7 T形匹配网络基本电路及相关方程.14图2.8 形匹配网络基本电路及相关方程.15图2.9两端口网络稳定判定示意图.16图2.10稳定性判别划分平面上稳定区和不稳定区.18图3.1射频功率放大器模块框图.20图3.2放大器的IdB压缩点表示图.21图3.3放大器的增益及增益平坦度.21图3.4放大器的交调失真.22图3.5三阶交调交截点示意图.23图3.6邻信道和主信道示意图.25图3.7 A类放大器集电极电流波形.26图3.8 B类放大器集电极电流波形.27图3.9 AB类放大器集电极电流波形.27图3.10 C类放大器集电极电流波形.28图3.11 JFET的转移特性曲线和输出特性曲线.29图3.12功率放大器的非线性特性.29图3.13 C类功率放大器对Ji/4-DQPSK信号的影响.31图3.14 PA的泰勒级数模型(n=7).32图3.15 MESFET大信号集总参数模型.33图3.16谐波平衡电路描述.35图3.17谐波平衡法应用于三端MESFET器件.36图3.18 MESFET功率放大器等效电路.37图3.19晶体管的无源和有源偏置网络.41图3.20输入匹配电路.42图4.1晶体管直流特性仿真电路.51图4.2 MRF9045M晶体管的特性曲线.51第IV页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文图4.3功率管MRF9045M偏置电路模型.52图4.4稳定性扫描原理图.52图4.5稳定性仿真图.52图4.6 Load-Pull仿真结果.53图 4.7 Source-Pull 仿真结果.54图4.8输出匹配电路.54图4.9输入匹配电路.54图4.10谐波平衡仿真.55图4.11输出功率仿真曲线.55图4.12增益压缩仿真曲线.55图4.13附加效率仿真曲线.55图4.14 MTaper元件和微带线优化变量.57图4.15输出功率仿真曲线.57图4.16增益压缩仿真曲线.57图4.17附加效率仿真曲线.57图4.18未加预失真的IMD3和IMD5.58图4.19采用平行式失真信号发生器的预失真线性化放大器结构框图.58图4.18加预失真后的IMD3和IMD5.59图4.21自动生成的印制电路版图.59图4.22最终的印制电路版图.60附录A图 优化后的功率放大器匹配电路图.72第V页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文摘要近年来随着无线通信的迅速发展，现代通讯系统对发射机的要求越来越高，射频功率放大器作为发射机的重要部件，对发射机系统的性能指标起着关键作用,功率放大器在整个无线通信系统中是非常重要的一环，因为它的输出功率决定了 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，所以设计性能指标 良好的射频功率放大器有着非常重要的意义。本文借助ADS仿真软件的强大功能对晶体管进行建模仿真，在这个基础上对 晶体管的稳定性进行了分析，采用了负载牵引法并结合Smith圆图，对输入输出阻 抗匹配电路进行了仿真优化设计。论文主要工作如下：一是从功率放大器的物理结构上分析了射频功率放大器非线性特性产生的原 因及其对通信系统的影响，讨论了功率放大器的非线性分析模型，即箱级数分析 模型，Volterra级数分析模型和谐波平衡分析模型，并简要的说明了它们各自的特 点，总结出了谐波平衡分析法的优点，指出它适合用于射频功率放大器的大信号 非线性分析。二是分析了射频功率放大器偏置和匹配电路设计中的一些基本问题，比较了 有源和无源偏置网络的优缺点，讨论了输入、输出匹配电路和级间匹配电路设计 的重点问题。介绍了负载牵引设计方法，它是在具备功率管大信号模型的基础上 对负载和源进行牵引仿真，从而确定输出、输入阻抗。三是在射频功率放大器的设计过程中，主要使用了 ADS软件进行辅助分析设 计.正是通过对软件功能的充分应用，替代了射频功率放大器设计中许多原来需 要人工进行的运算工作，提高了工作效率。从仿真结果来看，都达到了预期的设 计目标，验证说明了 ADS仿真软件在射频功率放大电路设计方面的实用性与优越 性，具有继续进行深入研究的价值。主题词：射频功率放大器谐波平衡法非线性失真负载牵引ADS仿真第i页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文ABSTRACTIn recent years with the rapid development of wireless communication,the modem communication system is getting higher and higher to transmitters request,the radio frequency power amplifier takes transmitters important part,is playing the key role to the transmitter systems performance index,the power amplifier in the entire wireless communication system is a very important part,because its output has decided the length of communication distance,its efficiency has decided batterys consumption degree and use of time,therefore the design performance target good radio frequency power amplifier has the very vital significance.This article carries on the modelling simulation with the aid of the ADS simulation softwares powerful function to the transistor,has carried on the analysis in this foundation to transistors stability,has used the method of load-pull and the Smith circle diagram,to input the output impedance match circuit to carry on the simulation optimization design.The main work of this paper is as follows:l.The paper analysises the RF power amplifiers causes of nonlinear characteristics and their effect on communication systems from a power amplifier of the physical structure,discusses the power amplifier of nonlinear analysis model,that is,power series,Volterra series and harmonic balance analysis model,and a brief description of their respective characteristics,summarizes the advantages of harmonic balance analysis,that it is suitable fbr RF power amplifier large signal nonlinear analysis.2.The paper analysises the radio frequency power amplifier bias and in match circuit design some basic questions,compares with the advantages and disadvantages of active and passive bias network,discusses the input and output matching circuit and interstage matching circuits of the key issues.Introduces the method of load-pull design,that are equipped with power tube large signal model to load and source for pulling simulation,thus determines the output and input impedance.3.In the RF power amplifier design process,the main use of the ADS software to aid analysis and design.It is through the full application of the software functions,replacing many of the original RF amplifier design requires manual operations carried out design work,improves work efficiency.From the simulation results are expected design goals,verify that shows ADS simulation software in RF circuit design practicability and superiority,has to continue the in-depth study of the value.Key Wor ds：Radio Fr equency;power amplifier;har monic balance method;nonlinear distor tion;load-pull;ADS simulation.第ii页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文第一章绪论1.1 课题研究的目的和意义随着21世纪的到来，人类社会己步入信息时代，社会信息化极大地改变了人 类社会的生产、工作、学习和生活方式，人们对信息的依赖与需求越来越大，随 时随地、迅速可靠的与通信的另一方进行任何方式的信息交流成为人们不断追求 的目标。从全球范围来看，无线通信用户的年增加量都在逐年大幅度增长，无线 通信己经进入规模化发展的阶段。如今，快速发展的无线通信己成为信息产业中 最为耀眼的亮点，并成为推动社会经济发展的强劲动力。随着数字无线通信技术 的发展，在通信系统的研制中，射频功率放大器受到了越来越大的重视，无线数 字通信不可能没有发射机，而射频功率放大器又是发射机不可缺少的元素。射频功率放大器作为无线收发系统中的最后一级，它在整个系统中占有十分 重要的地位，它对于提高发射信号强度、延长系统使用时间、降低电源消耗、减 小系统体积重量等起着关键性作用。由于功率放大器本身具有很大的功耗，对于 整个系统来说，功率放大器的功耗甚至占到了系统功耗60%以上，因此，设计高 效率和高线性度的功率放大器成为目前功放设计的主要趋势。射频放大电路是射频通信电路中的一种基本电路，完成信号放大并提供一定 的功率增益。射频放大电路在通信系统的接收电路中负责将微弱信号放大，在发 射电路中负责提供足够功率的射频信号输出。根据应用领域，射频放大电路包括:低噪声放大电路、窄带放大电路、宽频带放大电路和功率放大电路等。由于小信号情况下,S参数可以准确描述晶体管的电性能，因而被普遍应用于 放大电路CAD设计中。随着工作频率升高，功率放大器却因为其强烈的非线性而 要依赖非线性模型来预测其电性能，且电路设计的精度取决于非线性模型的准确 度。由于大信号模型的缺乏，使得射频功率放大器的设计和分析相当困难。而厂 商一般都是给出某个的S参数值，对于那些不是常用的频段获取参数相当的困难。因此选择合适的仿真软件对器件进行建模仿真变得非常重要。这样可以减少大量 的计算，提高设计的速度。同时，由于晶体管在高频工作时，受到寄生效应的影 响，要保持射频功率放大器的稳定性就需要电路板布局合理、输入输出匹配之间 的有效配置都是设计射频放大器的关键。1.2 国内外研究现状射频功率放大希(RFPA)由于具有工作电压低、尺寸小、线性度高、噪声低等 第1页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文优点，广泛应用在卫星通信、移动通信、雷达和电子战以及各种工业装备中。随 着无线通信和军事领域新标准新技术的不断发展，日益要求提高射频功率放大器 的性能，使之在更宽频带内，具有更高的输出功率、效率和可靠性。例如在通信 基站中，因为CDMA基站采用四相相移键控(QPSK)技术，需要对多路载波同时放大，此时信号幅度将随时间剧烈变化，要求峰-均比达1013dB,所以要求功率放大器 具有较高的线性度；在第三代移动通信系统(3G)中，要求数据传输速率达到 2Mbit/s,单个信号的带宽达5MHz,这就需要功率放大器具有宽带特性；为了降低 通信运营商的运营成本，减小冷却成本，易于热控制，就要求提高功率放大器的 效率；为了减小功率放大的级数和功率管的使用数量，以更低的功率进行驱动，降低成本，就要求提高放大器的增益；为了增加通信基站的覆盖范围，减小固定 区域内所需要设置的基站以节约成木，同时减小电路的尺寸和重量，就要求提高 功率放大器的输出功率。所有的这些问题，对射频功率放大器的设计提出了新的 要求。近五十年来射频器件和射频技术的不断发展是推动射频功率放大器发展的两 大因素。射频器件的发展使射频功率放大器的发展成为可能，射频技术的发展使 射频功率放大器的性能不断得到提高。1.2.1 射频器件方面1948年Shockley.Bardeen等人发明双极晶体管(BJT)及1952年提出结型场效 应管(JFET)以后，硅双极晶体管开始应用于射频微波领域，从而可以对从几百兆 赫(UHF)到Ka波段的信号进行放大。70年代以后，GaAs单晶及其外延技术获得突 破，GaAs肖特基势垒栅场效应晶体管(GaAs MESFET)研制成功，由于GaAs材料载 流子迁移率高、禁带宽度大，从而使射频微波功率放大器具有高频率、低噪声、大功率等一系列优点。进入80年代，由于分子束外延技术和有机金属化学沉积技 术的进展，超薄外延层的厚度及杂质浓度得以精确控制，使异质结器件迅速发展,由ALGaAs/GaAs或InP/InGaAs组成的异质结双极晶体管(HBT)相继研制成功，采 用这些器件设计射频功率放大晶体管，使射频固态功率放大器的工作频率达到毫 米波频段。到90年代，激增了多种新型固态器件，如高电子迁移管(HEMT)、假同 晶高电子迁移管(PHEMT)、异质结场效应管(HFET)和异质结双极管(HBT),同时使 用了多种新材料如Inp,Sic及CaN等。这些器件能够对100GHz乃至更高频率的 信号进行放大，而且在多数情况下可以运用MMIC技术。其中高电子迁移率晶体管(HEMT)的低噪声性能比场效应管更优越，运用这种器件设计成低噪声放大器，在C 波段噪声温度可达250K左右，广泛用于卫星接收；而PHEMT则用一个InGaAs薄 层来作为沟道的材料，同时在AlGaAs/InGaAs异质交界面上具有一个更大的不均第2页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文匀导带使真tbHEMT能容纳更高的电流密度和跨导，从而可以在较宽的工作电流 范围内保持更低噪声系数和更高增益，这激起了人们对设计高速、高频、低噪声、高增益的射频固态功率放大器的极大兴趣。与此同时，单片集成(MMIC)射频器件 也在快速发展，这是一种可以在几平方毫米神化绿(GaAs)基片上集成微波放大器 电路的技术，其体积小，增益高，己越来越受到用户的青睐。另外随着新型材料和工业技术水平的发展，无源器件的制造技术也得到不断 革新，无源器件的尺寸不断减小，精度不断提高，大大降低了无源器件寄生参数 在高频电路设计时所带来的影响。1.2.2 射频技术方面非线性是高功率放大器设计中的难点，但是，随着DSP技术和微处理控制技 术的出现和发展，使得我们能够广泛地应用各种功率放大器线性化技术，如复杂 的反馈技术和预失真技术来提高放大器的效率及线性度。功率合成技术的发展，使我们可以采用多个放大管输出高达几千瓦的功率，宽带技术使我们可以对带宽 达几十个GHz以上的信号进行放大；与此同时，各种效率增强技术为我们提高功 率放大器的效率提供了方便。如今，通过采用新型器件和新颖设计技术，人们己经开发出各种功率放大器 来满足通信及军事上的需求。射频微波功率放大器由于其所具有的优点，在中小 功率的应用领域已基本取代电真空器件，并在高功率应用领域逐渐成为电真空器 件的有益补充，因而展开对固态功率放大器的研究具有十分重要的意义。1.2.3 电路设计方面在射频晶体管设计思想发展的同时，射频电路计算机辅助设计技术也得到了 快速的发展。由于射频电路较难进行微调，在技术性能要求比较严格的放大器中,噪声系数、工作频带、增益平坦度、输入输出驻波比等许多指标是相互联系，需 要综合考虑，提高了设计难度，借助计算机模拟仿真是最好的解决方法。随着半导体技术的高速发展，计算机技术被应用到射频电路的设计领域，很 多软件公司开发出了射频微波电路仿真软件。首先，这些软件集成了大量的有源 和无源器件的数学模型，甚至可以对电路的器件进行三维模型仿真，借助于器件 模型精度的不断提高和计算机运算能力的提高，设计者能在很短的时间内得到与 实际非常接近的结果。第二，射频微波电路一般都需要很大的运算量，借助现代 的CAD软件，可以很容易的完成这些复杂的计算，极大提高设计人员的效率。最 后，通过CAD仿真，设计者能在计算机上得到电路的仿真结果，并能对电路的各 项参数进行修改和优化，通过比较仿真结果就能选择一个最佳的电路方案，从而 第3页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文减少电路的调试时间，缩短产品的设计时间，提高企业的竞争力。目前，国内外的很多公司已广泛采用CAD技术进行射频电路的仿真与设计，在高功率放大器中的有源器件模型非常复杂，目前它的精度具有一定的范围，设 计时主要采用软件仿真指导加调试的方法。总之，功率放大器发展至今，己经广泛的应用于军用、民用通信领域。现代 通信技术的发展对带宽、线性和效率等指标提出了更高的要求，相应的功放研究 也成了未来的趋势和热点。随着材料、计算机以及与功放相关理论的进一步发展,可以预见性能更好的功率放大器不久将会出现，并且服务于无线通信领域。1.3 本文研究的主要工作和结构安排论文研究的主要工作：一是随着无线通信不断向射频、微波频段发展，引出了散射参数（S参数），基 于S参数分析方法，对晶体管放大器的增益和稳定性进行了分析，介绍了采用集 总参数和分布参数实现阻抗匹配网络的方法；二是针对射频功率放大器在射频频段的非线性引起的失真，研究讨论了射频 功率放大器的非线性分析模型，即累级数分析模型，Volterra级数分析模型和谐 波平衡分析模型，并简要的说明了它们各自的特点，总结出了谐波平衡分析法的 优点。介绍了射频功率放大器线性化的四种方法，即功率回退、前馈、预失真和 负反馈法。分析了偏置电路和匹配电路设计中的一些基本问题，比较了有源和无 源偏置网络的优缺点；三是基于ADS仿真软件环境，运用了负载牵引法并结合史密斯圆图仿真设计 了以MRF9045M为模型的射频功率放大器，并进行了电路优化设计，而且针对功率 放大器的非线性失真采用预失真法对其进行了线性化处理，改善了 IMD3和IMD5,验证说明了 ADS仿真软件在射频电路设计方面的实用性与优越性。论文的创新点在于：讨论了射频功率放大器在射频、微波频段由于非线性失 真的影响，指出了谐波平衡法分析射频功率放大器的优越性，并随着无线通信向 射频领域的发展，验证了基于ADS仿真软件设计射频功率放大器的可行性与优越 性。论文具体安排：第一章绪论：重点介绍了本课题的研究背景及射频功率放大器的国内外研究 现状，主要介绍了射频器件、射频技术、电路设计三个方面的重大发展。第二章射频放大电路的基本理论：主要研究了双极性晶体管的Ebers-Moll模 型和GaAs MESFET器件的模型，精确的器件模型是保证CAD仿真结果正确性的基 本条件之一。引出了散射参数（S参数），基于S参数分析方法，对晶体管放大器的 第4页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文稳定性进行了分析，介绍了采用集总参数和分布参数实现阻抗匹配网络的方法，为后面的射频功率放大器电路设计提供了坚实的理论基础。第三章射频功率放大器设计理论基础：本章主要研究讨论了射频功率放大器 非线性特性产生的原因及其对通信系统的影响,分析了功率放大器的非线性模型，即嘉级数分析模型，Vol terra级数分析模型和谐波平衡分析模型，总结出了谐波 平衡分析法的优点。简单的介绍了射频功率放大器线性化的四种方法，即功率回 退、前馈、预失真和负反馈法。研究了偏置电路和匹配电路设计中的一些基本问 题，比较了有源和无源偏置网络的优缺点，讨论了输入、输出匹配电路和级间匹 配电路设计的重点问题。第四章射频功率放大器的仿真设计与分析：本章主要对射频功率放大器的电 路设计与仿真过程做了详细的介绍。通过ADS仿真软件对晶体管MRF9045M建模仿 真，对晶体管的直流工作点和稳定性进行了分析，并利用负载牵引法结合Smith 圆图对晶体管的输入、输出阻抗匹配电路进行了仿真。在仿真的基础上对射频功 率放大器的电路进行了优化处理，并针对功率放大器的非线性失真采用预失真法 对其进行了线性化处理，改善了 IMD3和IMD5,而且利用ADS软件生成了印制电路 版图。第五章总结和展望：总结了全文涉及的主要工作，并对基于ADS仿真软件设 计射频功率放大器进行了展望。第5页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文第二章射频放大电路的基本理论2.1 引言由于工作频率的升高，射频器件在结构和功能上都与低频和高频器件有所不 同。有源电路和元件具有增益，需要适当的直流偏置才能正常工作，甚至可以产 生不同频率的有用和无用信号，它们的反射系数模值大于1,这表明它们具有负阻。它们的特征描述和建模具有相当的难度，与无源元件相比，需要更多的耐心和经 验。由于有源电路设计的数学计算非常复杂，所以我们主要依赖于CAD技术，使 用一些可购买到的电路仿真程序。本章介绍了几种射频晶体管模型。经典的S参数放大器设计始于20世纪60年代中期，它以单向化的假设(|%|=0)为基础，这时连接输入和输出端口的匹配网络之间没有直接的关联。在单向化假 设下，有源器件跌落的增益可以通过在不同的频率处对器件进行匹配和失配以获 得平坦的增益响应来补偿。为提供所需的负载和源可以利用史密斯圆图用图解法 来求得适当的电路变换电路优化则有助于改变元件值直到得到所期望的性能。随着工作频率的升高，电磁波的波长将不断减小。当电磁波的波长与射频电 路的几何尺寸可比拟时，必须考虑电路中电压和电流随空间位置的变化，需要把 电压和电流看作传输的波来处理。因此，射频电路不能直接利用基尔霍夫定律进 行电路分析，必须使用传输线理论取代电路理论。阻抗匹配电路是射频电路的个重要组成部分。阻抗匹配电路通过在源和负 载之间插入一个无源无耗网络，通常实现从信源到负载的最大功率传输。在射频 晶体管放大器、振荡器、混频器等的输入或输出电路中，都需要设计阻抗匹配电 路，保障电路的正常工作。在多级放大电路的级间耦合电路中，也需要设计阻抗 匹配电路。在这些阻抗匹配电路的设计中，需要把信源或负载阻抗转换到另外一 个阻抗，保证射频有源器件工作在合适的状杰。阻抗匹配电路设计就是构建一个 合适的无源无耗网络，完成阻抗变换的功能。2.2 非线性有源器件的等效模型在电路设计中，要经常使用小信号放大器、振荡器、功率放大器和有源混频 器。因此，有源器件扮演了重要的角色。在射频和微波频率范围内，分布参数在 某些情况下将会占主导地位，所以在器件模型中我们必须考虑如封装等分布参数 的影响。几乎所有具有一定复杂性的电路设计，在实际将它们实现之前，必须模拟为 第6页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文计算机辅助设计(CAD)程序的一部分，以定量评估这些电路是否达到设计规格要 求。射频功率放大器的电路设计和仿真主要基于有源器件的等效电路、能求解的 设计方程和经验技术。对发展单片集成电路而言，建立准确的器件模型是非常重 要的，只有非线性器件性能被准确地描述才能完成最终设计的较好的近似。本小节将介绍最基本的射频晶体管模型，晶体管模型可以分为大信号模型和 小信号模型。大信号模型是一个非线性模型，由于射频信号幅度很高，导致晶体 管电压和电流之间为非线性关系，品体管内部等效的结电容和结电阻也会发生变 化。小信号模型是一个线性模型，由于射频信号的幅度很低，只在静态偏置状态 附近做很小的波动，可以认为晶体管的各参数保持不变，射频电流和射频电压之 间有一个线性的关系。晶体管的大信号模型非常复杂，而小信号模型相对简单。2.2.1 非线性双极型器件模型双极型器件在频率低端比场效应晶体管(FET)有更高的增益，同时具有更小的 低频噪声。此外，不像FET在使用时经常需要正负双极性偏置，双极型器件仅需 要一个单极性偏置即可，并且能够在很低的供电电压下工作，这对于使用电池供 电的电路具有相当大的优势。因为双极型晶体管可被考虑为相互作用的P-N结对，模拟它的非线性特性的 途径与模拟二极管模型是相同的。在集电极和发射极之间接入单一电流源的大信 号Ebers-Moll模型如图2.1所示。集电极-发射极源电流被定义为：人&exp-exp 1).V r I 了式中，乙，是双极晶体管饱和电流，吟是热电压，由下式计算kT(2.2)q上式中，q是电子电荷，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，单位开尔文。图2.1大信号Ebers-Moll模型第7页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文器件的端电流被定义为4=(一小，/,=-/“，4=二+4,式中的二 极管电流由下式给出(2.3)4)上式中，耳和片分别是共射BJT的正向电流增益和反向电流增益。器件电容C.和C儿每一个都由两个分量组成，可分别由扩散电容和结电容来模 拟。(2.5)&=脸 6)式中，y和是理想的总的前向时隙和反向渡越时间；C“。和J”是基极-发 射极和基极-集电极零偏结电容；人和也分别是基极-发射结及基极-集电结分级 因子。当设计集成电路时，必须考虑到基底电容C,在很多情况下这种描述是充分 的，因为外延层-基片结为了绝缘的目的是反向偏置的，一般情况下，模拟为具有 常数值的电容。2.2.2 非线性场效应晶体管器件模型在射频功率放大器中，功率晶体管是电路设计中的关键器件，双极型晶体管 在实践中的应用己经很成熟，但工作频率不高。常用的射频场效应晶体管为金属-半导体场效应晶体管(MESFET)或称肖特基势垒栅场效应晶体管，具有工作频率高、频带宽、低噪声、大功率等优点。正因如此，自1980年至今，GaAs MESFET在射 频微波电路设计中得到广泛的应用，目前MESFET及其改进型HEMT己经是高速电 路的重要元件之一。MESFET以高电阻率的半绝缘GaAs(接近本征层)材料为衬底，在衬底上生成一 层极薄N型外延层，称为有源层沟道，在沟道上方制作源极(S)、栅极(G)和漏极(D),源极和漏极的金属与N型半导体之间形成欧姆接触，而栅极的金属与N型半 导体之间形成肖特基势垒。功率GaAs MESFET的栅极宽度越宽，晶体管输出功率 越大，而栅长决定GaAs MESFET的频率响应，栅长越短，晶体管可以工作的频率 第8页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文越高。对于功率GaAs MESFET,为了提高输出功率，就要增大栅宽。目前实际功率 GaAs MESFET饱和功率密度约为0.5W/mm栅宽，IdB压缩点的功率密度约为0.3W/mm 栅宽。从散热等方面考虑，单胞的栅条也不能太多,为了进一步增加输出功率，可 采用组合多个单胞的方法。射频MESFET的工作原理与普通场效应晶体管相同，它是一个电压控制器件。当栅极之间加负压b时，则肖特基势垒区（耗尽层）变宽，使N沟道变薄，由于漏 源之间加正压Vm有多数载流子（电子）从源极经栅极下的沟道漂移到漏极，形成 漏极电流当沟道变薄时，相当于增大沟道电阻，使L减小，因此控制栅压%就可以灵敏地改变耗尽层宽窄，从而调制沟道厚度，达到最终控制L的目的。目前，功率GaAs MESFET管的模型已经很多，下面，我们简单分析一下 Curtice-Ettenberg立方非线性模型。用于功率放大器输出电路设计的GaAs MESFET器件的非线性本征大信号模型 如图2.2所示，包含一个额外的漏栅电压控制源Igd（Vgs，VdJ一代表在大信号工作 时可能的漏栅雪崩电流，沟道电阻凡，（设为常数）以及栅源电容。磔和栅漏电容图2.2 Curtice-Ettenberg立方非线性本征模型为了更准确的建立漏极电流和栅-源电压之间近似关系，提出了立方近似关系&=（4+4匕+4彳+4限）遍/）（2.7）式中B夹断变化系数；Y 一线性区漏极特性斜率；T-MESFET内部时延；一估算Ao,A.,A%A3时漏-源电压。匕%（4+祝*蹴）1 8）系数Ao,A“%,由可由实验数据估算，人是饱和区V“=0的漏极饱和电流，儿 第9页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文在工作初步估算时，可认为就是跨导参数。漏极电流在大的漏源电压时不能被夹断，此时由于雪崩击穿产生栅极电流。因此，在这模型中漏栅雪崩电流是亿用/3 VB（2,9）0%Vb式中（2.10）R1可近似认为是击穿电阻，R是与击穿电压相关的对沟道电流呈现的电阻。正向偏置栅电流可由下式决定3%41(2.11)0v 同=6a n,“=S。+Sl2a2 b2=52|1+S22a2(2.21)S参数信号模型如图2.5所示:图2.5 S参数的信号模型S矩阵中的每一个参数都有对应的实际意义,S”是在二端口网络输出端口匹配 条件下输入端口的电压反射系数，S&是输出端口匹配条件下二端口网络的正向电 压传输系数，S22是在二端口网络输入端口匹配条件下输出端口的电压反射系数，S12是输入端口匹配条件下二端口网络的反向电压传输系数。2.4 阻抗匹配网络设计要实现最大的功率传输，必须使负载阻抗与源阻抗相匹配。实现上述匹配的 通常做法是在源和负载之间再插入一个无源网络，这种无源网络通常被视为匹配 网络。然而，它们的功能并不仅限于为实现理想功率传输而在源和负载之间进行 阻抗匹配。事实上，许多实际的匹配网络并不是仅仅为减小功率损耗而设计的，它们还具有其他功能，如减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度 等。通常认为，匹配网络的用途就是实现阻抗变换，就是将给定的阻抗值变换成 其他更合适的阻抗值。为了实现功率放大器的最大增益和功率输出，放大器的输入输出端必须端接 特定阻抗值的负载，而晶体管的输入输出阻抗都比较低，因此需要设计输入输出 匹配网络将标准的50欧阻抗变换到所需的阻抗值。除了能实现最大功率传输外，阻抗匹配网络还关系到功率放大器的增益、工作频率带宽、带内平坦度、线性度、功耗等等一系列指标的好坏。因此，匹配电路设计是射频功率放大器电路的重要 部分，匹配网络可以采用集总参数或分布参数来实现2.4.1集总参数匹配网络所谓集总参数是相对分布参数而言的，是指可以用电容、电感和电阻等分立 元件来表示的确定参数，即可用分立元件值表示的匹配网络。分立元件的匹配网 络容易分析，适合GHz频段的低端以及更低的频段使用。集总参数匹配网络般来说，根据工作频带宽度和电路尺寸大小，可分为L 第12页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文形、T形及形等三种拓扑结构。2.4.L1L形匹配电路L形匹配电路如图2.6所示，是最简单的集总元件匹配电路，只有两个元件，成本最低，性能可靠。缺点是存在匹配禁区、频率响应较差、带宽较窄，适用于 窄带匹配网络。也=%当）c ol=QR图2.6 L形匹配网络基本电路及相关方程L形匹配电路的设计计算可以使用下面两种方法：（1）