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1、1科研楼612房间电话:83201687E-mail:微波电路与系统第三章：微波集体管放大器物理电子学院贾宝富2 基本工具:Smith圆图 处理并联、沿线导纳 变化时使用导纳圆图 处理沿线阻抗变化使 用阻抗圆图方便Smith圆图终端(负载)方向：视入方向向终端(向负载端)：看着负载向负载前进向始端(向源载端)：看着负载向后倒退3(1)匹配点:|=0,z=1,SWR=1(2)纯电抗圆、开路点、短路点(3)纯电阻线(4)感性与容性半圆(5)r=1圆:通过匹配点(6)的幅度的标注(7)的相位的标注：周期为半波长，最大相对波长为0.5，相位 001800(8)r值的标注：开路点为、短路点为0，匹配点为
2、14阻抗圆图导纳圆图-匹配点不变r=1圆g=1圆纯电阻线纯电导线开路点短路点短路点开路点电抗圆电纳圆电阻圆电导圆上半圆内的点表示b0呈容性、下半圆内的点b0呈感性53.4 微波晶体管放大器特性3.4.1 微波晶体管的S参数 原因：物理含义确切，易测量测量：开路测阻抗参数Z 短路测导纳参数Y 匹配测散射参数SS参数的物理意义S11是输出端接匹配负载时的输入端电压反射系数；S22是输入端接匹配负载时的输出端电压反射系数；S21是晶体管输出端接匹配负载时的正向传输系数；S212代表功率增益；S12是晶体管输入端接匹配负载时的反向传输系数；代表晶体管内部反馈的大小。显然，S2l-S12，有源器件的二端
3、口网络是非互易网络。67FET 的S参数有封装无封装封装外壳很重要：降低性能，寄生参数，散热、尺寸83.4.2 微波晶体管放大器增益输入输出端反射系数9 由于：代入负载反射系数代入负载反射系数：解得解得3.4.2 微波晶体管放大器增益（功率增益）同法得 S12 S21 有源器件二端口网络是非互易网络；有源器件二端口网络是非互易网络；对不同的工作频率和直流工作点，晶体管的对不同的工作频率和直流工作点，晶体管的S参数不同。参数不同。讨论当ZL=Z0即 时，当Zs=Zo即 时，。如果实际晶体管的S12较小，可予以忽略，即S120时，也有 及 ，表示晶体管两个端口之间无反馈，则输出端负载对输入阻抗无影
4、响，输入端信号源阻抗对输出阻抗也无影响，此时的晶体管叫做单向化器件。10转换功率增益GT11转换功率增益GT12转换功率增益GT1314转换功率增益转换功率增益转换功率增益转换功率增益 GT Transducer Gain最大功率增益最大功率增益 MAG Maximum Available Gain最大稳定功率增益最大稳定功率增益 MSG Maximum Stable Gain 转换增益转换增益定义：负载吸收的功率定义：负载吸收的功率PL与信源资用功率与信源资用功率Pa之比之比Pa是指负载与信源共轭匹配时信源能给出的最大信号功率是指负载与信源共轭匹配时信源能给出的最大信号功率151.物理意义：
5、插入放大器后负载实际得到的功率与无放大器时可能得到的最大功率比；2.和S参数、输入、输出阻抗(S、L)有关；3.共轭匹配：S=in*，L=out*-MAG(共轭匹配是实部相等，虚部抵消，无反射，传输功率最大)；4.输入、输出都无反射匹配：S =L=0 -GT=|S21|2 MAG。GT 的基本概念:单向化转换功率增益GTU另一种特殊情况是当晶体管内反馈很小时，则可忽略S1 2进行单向化设计。这种非互易特性对大多数实际放大器电路是常见的。当S1 2 0，单向化转换功率增益GTU，为 16资用功率增益Ga定义Ga为放大器输出端的资用功率PLa与信号源资用功率Pa之比。17其中：资用功率增益Ga的物
6、理意义插入放大器后负载可能得到的最大功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍。而实际上放大器在输入、输出端都并不见得是共轭匹配的。只是表示放大器功率增益的一种潜力，当确实在输入端口满足 时，达到 。18 S=in*实际功率增益GG定义为负载ZL所吸收的功率PL(即放大器在2-2端口对负载的输入功率)与放大器输入功率Pin之比。19其中：三种功率增益间的联系2021由于输入口共轭匹配，即S=in*，GT只随L而变化，且GT是L的二次方程，等增益即GT为常数时的L在L复平面上是圆。圆心位置：圆半径：等增益圆的半径和圆心是：等 增 益 圆22在史密斯圆中呈现等增益圆在史密斯圆中呈现等增益圆 S S
7、=inin*、L L=outout*时时，是是共共轭轭匹配，增益最高，匹配，增益最高，G GT T=MAG=MAG L Loutout*时，失配，增益下降时，失配，增益下降等 增 益 圆（续）233.4.3 微波放大器稳定性 前面所讲的放大器增益不一定都是可实现的，因为S12意味着放大器有内反馈，可能造成放大器不稳定。这一点对微波电路是非常重要的，因为微波电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的趋势。这可以从放大器输入端口或输出端口是否等效有负阻来进行判断。如果放大器端口存在负阻，则有可能(并非一定)产生白激振荡，这意味着 或 。设放大器输入阻抗Zin=Rin+jXin，则输入端反射系数的模
8、为243.4.3 微波放大器稳定性（续1）可见当Rin0时，。输出端口类似。此时放大器白激。因为 和 。与源和负载匹配网络有关，因而放大器的稳定性依赖于通过匹配网络提供的 和 。因此，当采用S参数法来分析放大器时，就从其输入端口或输出端口反射系数的模是否大于1来判断放大器的稳定性。253.4.3 微波放大器稳定性（续2）微波管有内部反馈 S12是反馈，S12、S21有相位移判断不稳定依据：输入或输出端是否等效有负阻稳定性判别圆26稳定性判别圆的建立输入端稳定性判别圆输入端稳定性判别圆-分式线性变换分式线性变换无源负载：无源负载：|L|127稳定性判别圆的建立（续）28稳定性判别圆位置 输入端稳
9、定性判别圆输入端稳定性判别圆 圆心位置向量圆心位置向量 判别圆的半径判别圆的半径 输出端稳定性判别圆输出端稳定性判别圆 圆心位置向量圆心位置向量 判别圆的半径判别圆的半径式中式中：|in|=129稳定性判别圆30稳定性判别圆（续）31记住(a)(b)(e)阴影范围：不稳定区32多频率点稳定性判别圆33小结1.潜在不稳定原因：管内反馈S122.用判别圆确定造成不稳定的 S、L的范围3.判别圆大小、位置取决于自身S参数4.六种不稳定情况(书p.64)，需记住 (a)绝对稳定 (b),(e)潜在不稳定，设计放大器时选 S、L稳定区34绝对稳定与潜在不稳定（条件稳定）绝对稳定与潜在不稳定（条件稳定）3
10、5绝对稳定与潜在不稳定（条件稳定）绝对稳定与潜在不稳定（条件稳定）36绝对稳定与潜在不稳定（条件稳定）绝对稳定与潜在不稳定（条件稳定）37绝对稳定的充分必要条件 绝对稳定的必要条件 依据：化简得绝对稳定的充分必要条件输入输出38稳定性系数的性质1.K1是潜在不稳定，有自激振荡的可能性2.信源反射波小于信源入射波时不振荡：由图可知得到不自激振荡条件：393.信源阻抗对稳定性有影响不自激振荡条件：*信源阻抗50欧姆时，不会产生振荡*实际天线通常不是全匹配，尤其频带外失配较大*移动通信天线受环境影响大，源阻抗变化大基本规律：404.网络两端口串联或并联电抗时，总网络 K不变K=Ka5.网络两端口串联或并联电阻时，总网络 K增加，即稳定性 改善6.网络两端口之间加电抗时(反馈)，总网络 K改变 串联负反馈可以在一定频带内加大K值，改善稳定性，是 常用方法344放大器的稳定措施413.4.5 微波晶体管放大器的噪声特性43等效噪声电阻45等噪声系数圆46等噪声系数圆47等噪声系数圆4849MAG最大增益（双向共轭匹配）特点：等噪声系数圆的圆心都在opt到原点的连线上。阻抗圆图上的等噪声系数圆和等增益圆阻抗圆图上的NFmin值对应的是信源阻抗Zopt值，要求Yopt值需将幅角加最佳噪声要求的S与最大增益要求的S并不一致。如果要NF最佳，增益要下降，在NFmin处的增益用Ga表示(相关增益)