5~12GHz新型复合管宽带功率放大器设计

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摘要 利用一种新型HBT复合晶体管结构设计了一款宽带功率放大器,有效抑制了HBT的大信号Kink效应。采用微波仿真软件AWR对电路结构进行了优化和仿真,结果显示,在5~12 GHz频带内,复合晶体管结构的输出阻抗值更稳定,带宽得到有效扩展,最高增益达到11 dB,带内波动<0.5 dB,在9 GHz工作频率时,其1 dB压缩点处的输出功率为26 dBm。

关键词 宽带匹配;Kink效应;GaAs HBT;复合晶体管

 

    随着宽带无线通信系统的不断发展,对高灵敏度、大动态范围、高效率的宽带放大器的需求也越来越大,从某种意义上讲,宽带放大器性能的好坏直接决定着微波系统性能的优劣。然而在宽带放大器的设计过程中,砷化镓异质结双极型晶体管(HBT)共发组态工作模式下的输出反射系数S22,在某一频率将会出现Kink 效应,因此采用HBT实现宽带放大器时,会给工作频带跨越Kink点的宽带输出匹配设计带来难题。目前,有效扩展带宽的方法有反比例级联、并联峰值、电容峰值、分布式放大器和fT倍频器技术等。但这些方法都会不同程度地增加电路的复杂度,需要占用更多的芯片面积。本文使用一种改善HBT Kink效应的复合晶体管结构来扩展放大器的带宽,简化宽带输出匹配的设计。

 

    自Shey-Shi Lu,Yo-Sheng Lin等人提出HBT的Kink效应以来,关于该现象的小信号理论分析日臻成熟。文献提出一种基于负反馈技术的新型HBT复合晶体管结构,能够有效消除 HBT的小信号Kink效应。但是有关于该现象的大信号研究较为罕见。

 

    文中首先基于AWR软件研究HBT的大信号Kink效应,其次分别采用新型HBT复合管和普通HBT管(以下分别简称复合管、普通管)来完成两款宽带功率放大器的设计。通过软件仿真,结果表明:该新型HBT复合晶体管不但可以有效消除HBT的大信号Kink效应,而且还明显扩展放大器的带宽,提高增益带宽积,简化输出端的阻抗匹配设计。

 

1 新型HBT复合晶体管大信号特性

1.1 HBT的小信号Kink效应

    随着频率的升高,晶体管自身寄生电容Cce,Cbe,Cbc等对器件性能的影响明显增加,使得HBT共发组态工作模式下的输出反射系数S22在某一频率处出现一拐点,这种现象称为Kink效应,如图1所示。另外随着器件尺寸的增加,Kink效应有增强的趋势。
 

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