專利名稱：一種微波放大器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微波放大器的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在近代微波系統(tǒng)中，放大器是最基本和廣泛存在的微波功能電 路之一。早期的微波放大器依賴于諸如速調(diào)管和行波管等電子管或者基于隧道二極管或者變?nèi)荻O管的負(fù)阻特性的固態(tài)反射放大器。但是自從20世紀(jì)70年代以來，大多數(shù)射頻和微波放大器使用的均是晶體管器件，例如 Si、SiGe BJT, GaAs HBT, GaAs, InP FET 和 GaN HEMT 等。微波電路的根本是能量的傳輸或變換，其核心問題是正確處理電路的阻抗、頻率和功率的關(guān)系，三者既相互獨(dú)立又相互影響。因此，在射頻/微波電路中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。同時(shí)，由于半導(dǎo)體晶體管的增益滾降特性，高頻放大器在設(shè)計(jì)時(shí)則需要更加細(xì)致的考慮。在傳統(tǒng)的微波放大器設(shè)計(jì)中，普遍采用的方法是根據(jù)放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，利用EDA工具在中心頻點(diǎn)出設(shè)計(jì)初始輸入或輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，然后再將匹配網(wǎng)絡(luò)與晶體管相連并優(yōu)化，這種方法通常用于單級(jí)放大器或者具有較少元件的匹配網(wǎng)絡(luò)的放大器設(shè)計(jì)。但是，如果放大器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如多級(jí)級(jí)聯(lián)的形式時(shí)，放大器除具有輸入或輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，還具有至少一個(gè)級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)。有時(shí)，出于寬帶設(shè)計(jì)或者其他性能考慮，還需要多階匹配網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)，匹配元件便迅速增多，由于晶體管隨頻率變化特性不同于無源元件的簡單線性特性，在這種情況下，如果依然利用EDA工具對整個(gè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，效率很低，并且不利于直觀地體現(xiàn)輸入或輸出之間的相互影響以及充分發(fā)揮晶體管的性能，導(dǎo)致浪費(fèi)高頻晶體管的寶貴增益等現(xiàn)象的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種提高設(shè)計(jì)效率，有利于直觀地體現(xiàn)輸入或輸出之間的相互影響并能夠充分發(fā)揮晶體管性能的微波放大器的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟擬合晶體管在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的輸入或輸出阻抗；采用數(shù)值計(jì)算法獲得所述輸入或輸出阻抗的等效網(wǎng)絡(luò)；構(gòu)造與所述等效網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的“共軛”網(wǎng)絡(luò)，并將所述“共軛”網(wǎng)絡(luò)與所述晶體管相連；對所述“共軛”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳輸入或輸出“共軛”網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)所述最佳輸入或輸出“共軛”網(wǎng)絡(luò)得到最佳輸入或輸出等效網(wǎng)絡(luò)；將所述最佳輸入或輸出等效網(wǎng)絡(luò)匹配到端接阻抗，獲得最佳匹配網(wǎng)絡(luò)；將所述最佳匹配網(wǎng)絡(luò)與晶體管相連，完成放大器的設(shè)計(jì)。作為優(yōu)選，當(dāng)所述放大器為多級(jí)放大器時(shí)，還包括級(jí)間最佳匹配網(wǎng)絡(luò)，所述級(jí)間最佳匹配網(wǎng)絡(luò)是將后一級(jí)最佳輸入匹配網(wǎng)絡(luò)匹配到前一級(jí)的最佳輸出匹配網(wǎng)絡(luò)得到的。
作為優(yōu)選，所述擬合晶體管在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的輸入或輸出阻抗包括以下步驟利用EDA工具獲得晶體管在不同頻率下的輸入或輸出阻抗；采用多參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)擬合晶體管在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的輸入或輸出阻抗。作為優(yōu)選，所述多參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)包括電阻和電抗元件。作為優(yōu)選,所述電抗元件包括 電容。作為優(yōu)選,所述電抗元件還包括電感。作為優(yōu)選，所述等效網(wǎng)絡(luò)的“共軛”網(wǎng)絡(luò)是在等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接方式不變的情況下，將所述等效網(wǎng)絡(luò)中的電抗元件在數(shù)值上取“負(fù)”得到的。作為優(yōu)選，所述最佳輸入或輸出等效網(wǎng)絡(luò)是在等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接方式不變的情況下，將所述最佳輸入或輸出“共軛”網(wǎng)絡(luò)中的電抗元件在數(shù)值上取“負(fù)”得到的。作為優(yōu)選，所述晶體管包括裸管芯、封裝后的管芯，經(jīng)過預(yù)匹配的管芯，或者，源極、柵極或漏極有反饋元件的管芯。本發(fā)明提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)效率高，有利于直觀地體現(xiàn)輸入或輸出之間的相互影響并能夠充分發(fā)揮晶體管性能。


圖I為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的原理結(jié)構(gòu)示意簡圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法中兩參數(shù)輸入阻抗等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法中兩參數(shù)輸出阻抗等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法中三參數(shù)輸入阻抗等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法中三參數(shù)輸出阻抗等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法中“共軛”網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造方法示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法中“共軛”網(wǎng)絡(luò)與晶體管相連后的結(jié)構(gòu)不意圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法中最佳輸入等效網(wǎng)絡(luò)匹配到端接阻抗的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法中后一級(jí)晶體管最佳輸入等效網(wǎng)絡(luò)和如一級(jí)晶體管最佳輸出等效網(wǎng)絡(luò)之間的級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不意圖；圖10為本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法中最佳輸出等效網(wǎng)絡(luò)匹配到端接阻抗的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的原理結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的整體在優(yōu)化前計(jì)算機(jī)仿真小信號(hào)S參數(shù)曲線，其中，實(shí)線代表dB (S (2，1))，點(diǎn)劃線代表dB (S (1，1))，虛線代表 dB (S (2，2))。
具體實(shí)施例方式為了深入了解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明提供的微波放大器的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟步驟I :擬合晶體管在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的輸入或輸出阻抗。
步驟I. I :利用EDA工具獲得FETl和FET2在不同頻率下的輸入或輸出阻抗。本實(shí)施例中，基于半導(dǎo)體晶體管的微波測試，在ADS中利用Smith Chart Utility或者M(jìn)atchingUtility得到FETl和FET2對應(yīng)的輸入或輸出阻抗的電阻和電抗元件隨頻率變化曲線，通過該曲線獲得FETl和FET2的目標(biāo)頻率范圍。步驟I. 2 :采用多參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)擬合FETl和FET2在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的輸入或輸出阻抗。其中，多參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)包括電阻和電抗元件。其中，電抗元件包括電容。其中，電抗元件還包括電感，以便于在晶體管負(fù)載阻抗的頻率范圍很寬的情況下獲得的輸入或輸出阻抗的等效網(wǎng)絡(luò)具有更高的吻合度。。步驟2 :采用數(shù)值計(jì)算法獲得輸入或輸出阻抗的等效網(wǎng)絡(luò)，參見附圖2 5，其中，附圖2是包括電阻和電容的兩參數(shù)輸入阻抗等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，附圖3是包括電阻和電容的兩參數(shù)輸出阻抗等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，附圖4是包括電阻、電容和電感的三參數(shù)輸入阻抗等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，附圖5是包括電阻、電容和電感的三參數(shù)輸出阻抗等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。實(shí)踐中，等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是根據(jù)功能需要，如虛部吸收、偏置接入、隔直、諧波抑制等選取的。步驟3 :在等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接方式不變的情況下，將等效網(wǎng)絡(luò)中的電抗元件在數(shù)值上取“負(fù)”構(gòu)造與等效網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的“共軛”網(wǎng)絡(luò)，參見附圖6，其中，“負(fù)”電容或者“負(fù)”電感，只具有數(shù)值意義，而不代表實(shí)際電容值或者電感值，并將“共軛”網(wǎng)絡(luò)與晶體管相連，參見附圖7。步驟4 :對“共軛”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，即對“共軛”網(wǎng)絡(luò)中的各參數(shù)的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，得到最佳輸入或輸出“共軛”網(wǎng)絡(luò)。步驟5 :將最佳輸入或輸出“共軛”網(wǎng)絡(luò)中的電抗元件取“負(fù)”得到最佳輸入或輸出等效網(wǎng)絡(luò)。步驟6 :將最佳輸入或輸出等效網(wǎng)絡(luò)匹配到端接阻抗，本實(shí)施例中，端接阻抗為
50Q的電阻，得到最佳匹配網(wǎng)絡(luò)，參見附圖8 10，其中，圖8為最佳輸入等效網(wǎng)絡(luò)匹配到端接阻抗的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為后一級(jí)晶體管最佳輸入等效網(wǎng)絡(luò)和前一級(jí)晶體管最佳輸出等效網(wǎng)絡(luò)之間的級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為最佳輸出等效網(wǎng)絡(luò)匹配到端接阻抗的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。將最佳匹配網(wǎng)絡(luò)與晶體管相連，完成放大器的設(shè)計(jì)，參見附圖I。本實(shí)施例中，參見附圖11，所示兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的最終原理示意圖中TLl TL12為微帶線，電容除C5 C8作為旁路電容外，其他電容都參與匹配。其中，晶體管可以包括晶體管包括裸管芯、封裝后的管芯，經(jīng)過預(yù)匹配的管芯，或者，源極、柵極或漏極有反饋元件的管芯。將最后得到的兩極級(jí)聯(lián)放大器，不經(jīng)過任何調(diào)諧優(yōu)化，在ADS中直接仿真，可以得到如圖12所示的小信號(hào)S參數(shù)曲線。由仿真結(jié)果圖可知，采用本發(fā)明公開的方法設(shè)計(jì)的示例兩級(jí)放大器幾乎無需再經(jīng)過繁瑣的調(diào)諧優(yōu)化就已經(jīng)得到非常好的結(jié)果，帶寬超過預(yù)期的4GHz (8 12GHz)，而且增益平坦度很好其中點(diǎn)mlO處頻率為7. 000GHz，dB (S (2，I))為23. 041，點(diǎn) ml5 處頻率為 12. 50GHz, dB (S (1，I))為 21. 224。以上所述的具體實(shí)施方式
，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種微波放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟 擬合晶體管在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的輸入或輸出阻抗； 采用數(shù)值計(jì)算法獲得所述輸入或輸出阻抗的等效網(wǎng)絡(luò)； 構(gòu)造與所述等效網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的“共軛”網(wǎng)絡(luò)，并將所述“共軛”網(wǎng)絡(luò)與所述晶體管相連； 對所述“共軛”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳輸入或輸出“共軛”網(wǎng)絡(luò)； 根據(jù)所述最佳輸入或輸出“共軛”網(wǎng)絡(luò)得到最佳輸入或輸出等效網(wǎng)絡(luò)； 將所述最佳輸入或輸出等效網(wǎng)絡(luò)匹配到端接阻抗，得到最佳輸入或輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；將所述最佳匹配網(wǎng)絡(luò)與晶體管相連，完成放大器的設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在干，當(dāng)所述放大器為多級(jí)放大器時(shí)，還包括級(jí)間最佳匹配網(wǎng)絡(luò)，所述級(jí)間最佳匹配網(wǎng)絡(luò)是將后ー級(jí)最佳輸入匹配網(wǎng)絡(luò)匹配到前ー級(jí)的最佳輸出匹配網(wǎng)絡(luò)得到的。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述擬合晶體管在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的輸入或輸出阻抗包括以下步驟 利用EDA工具獲得晶體管在不同頻率下的輸入或輸出阻抗； 采用多參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)擬合晶體管在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的輸入或輸出阻杭。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述多參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)包括電阻和電抗元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述電抗元件包括電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述電抗元件還包括電感。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述等效網(wǎng)絡(luò)的“共軛”網(wǎng)絡(luò)是在等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接方式不變的情況下，將所述等效網(wǎng)絡(luò)中的電抗元件在數(shù)值上取“負(fù)”得到的。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述最佳輸入或輸出等效網(wǎng)絡(luò)是在等效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接方式不變的情況下，將所述最佳輸入或輸出“共軛”網(wǎng)絡(luò)中的電抗元件在數(shù)值上取“負(fù)”得到的。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述晶體管包括裸管芯、封裝后的管芯，經(jīng)過預(yù)匹配的管芯，或者，源極、柵極或漏極有反饋元件的管芯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微波放大器的設(shè)計(jì)方法，屬于電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括擬合晶體管在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的輸入或輸出阻抗；采用數(shù)值計(jì)算法獲得輸入或輸出阻抗的等效網(wǎng)絡(luò)；構(gòu)造與等效網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的“共軛”網(wǎng)絡(luò)，并將“共軛”網(wǎng)絡(luò)與晶體管相連；對“共軛”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳輸入或輸出“共軛”網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)最佳輸入或輸出“共軛”網(wǎng)絡(luò)得到最佳輸入或輸出等效網(wǎng)絡(luò)；將最佳輸入或輸出等效網(wǎng)絡(luò)匹配到端接阻抗，得到最佳匹配網(wǎng)絡(luò)；將最佳匹配網(wǎng)絡(luò)與晶體管相連，完成放大器的設(shè)計(jì)。該方法設(shè)計(jì)效率高，有利于直觀地體現(xiàn)輸入或輸出之間的相互影響并能夠充分發(fā)揮晶體管性能。
文檔編號(hào)H03F1/56GK102739167SQ20121023606
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月9日
發(fā)明者劉新宇, 彭銘曾, 戈勤, 鄭英奎 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所