5～12GHz新型复合管宽带功率放大器设计

    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。

     可以看出，低频时HBT的输出阻抗等效为串联的RC电路，而高频时则等效为并联的RC电路，在两种等效电路的过渡过程中就出现了图1中所示的拐点，即 Kink效应。为了有效消除HBT的Kink效应，文献提出了基于负反馈技术的新型HBT复合晶体管结构，本文在该结构上另加1个电阻R2调整反馈强度和相位，其拓扑结构如图2所示。

    在图2中，共射极连接的HBT1作为常规放大器件工作在放大状态，HBT2作为HBT1的负反馈支路工作在反向状态。HBT2发射极通过一个小电感L和一个小电阻R2连接到电路输出端，由于该电感均衡寄生电容对输出阻抗的影响，使得HBT在共发组态工作模式下，其小信号输出阻抗在整个工作频段内接近于一个简单的RC串联电路，且电阻值R为一常数，能够有效消除HBT的小信号Kink效应。

1．2 大信号Kink效应及其消除

    功率放大器工作在大信号状态时，HBT放大管的工作状态和等效电路模型不同于小信号情况。为了深入研究HBT的大信号Kink效应，分别采用新型HBT复合管和普通HBT管设计了两个单级放大电路，如图3所示，同时其大信号S22随频率变化的仿真曲线如图4所示。
 

     图4仿真结果表明，HBT在大信号输入情况下的S22同样具有Kink效应，然而采用复合管结构能够使HBT大信号情况下的输出阻抗在很宽的频率范围内为一常数，S22的Kink效应得到有效的消除。

     功率放大器输出端的负载特性将直接影响到输出端匹配电路的复杂度，为了获得最佳功率输出负载阻抗，在4～12 GHz频带内进行常规的负载牵引(Load-Pull)测试，得到最佳输出功率和功率增益。Load-Pull得到设计所需要的输出负载阻抗值，其结果如图5所示。

     如图5所示，Load-Pull的结果表明，在整个频带内普通管电路最佳负载阻抗的实部和虚部都随频率发生变化，而复合管电路的输出阻抗随频率变化不大，所以采用该结构作为宽带功率放大器的有源放大器件，可以简化其输出端的功率匹配电路设计，获得较好的功率输出特性。

2 放大器设计

     基于上述小信号和大信号特性分析，分别采用普通管和复合管设计了两款宽带功率放大器，匹配电路采用基本LC匹配结构，输入匹配满足高通特性，输出匹配满足低通特性，如图6所示。

     在微波频段，GaAs HBT的反向传输散射参数S12很小。因而单向模型经微小修正后就可以作单向近似，以至于这种器件的输入输出匹配网络就可以分开设计，分别解决宽带功放的输入端和输出端的匹配问题，由于有源器件随频率上升，其增益按6 dB倍频程下降，因此输入匹配网络需要提供一个增益补偿，以保证放大器平坦的增益特性。为了使放大器的增益更平坦，应用CAD技术对电路的初步设计结果进行优化，最终得到较为满意的单级功率放大器。

     在Kink频率点处复合管宽带放大器的大信号参数如图7(a)所示。5～12 GHz频带内小信号参数仿真曲线及两款放大器功率增益的带宽特性对比如图7(b)所示。

    从图7可以看出，普通管放大器在6～10 GHz的工作频率范围内，功率增益PGain=12 dB，增益带宽积为16 GHz，复合管结构放大器功率增益为PGain=11 dB，带宽拓展至5～12 GHz，增益带宽积达到25 GHz，明显高于前者。以上结果较好地说明了利用新型HBT复合管结构能有效地消除HBT的大信号Kink效应，进而扩展放大器带宽。同时，设计的复合管结构宽带功率放大器在整个频率范围内具有较高的功率输出，具有实际应用价值。

3 结束语

     利用一种新型HBT复合晶体管结构设计了5～12 GHz宽带功率放大器，并采用AWR软件进行CAD优化，使宽带功放达到较高的性能指标。另一方面，利用普通管HBT设计了一款宽带功率放大器电路作为比较，结果表明：采用该新型HBT复合晶体管结构作为有源器件可以有效消除Ga-As HBT的大信号Kink效应，利用其设计宽带功率放大器可以有效提高放大器的增益带宽积，同时和其他技术相比，该放大器结构简单，具有较好的实际应用价值。