CN102739167B - 一种微波放大器的设计方法 - Google Patents
一种微波放大器的设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102739167B CN102739167B CN201210236066.1A CN201210236066A CN102739167B CN 102739167 B CN102739167 B CN 102739167B CN 201210236066 A CN201210236066 A CN 201210236066A CN 102739167 B CN102739167 B CN 102739167B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- network
- input
- output
- conjugate
- transistor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 9
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 20
- 101100484930 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) VPS41 gene Proteins 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Microwave Amplifiers (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种微波放大器的设计方法，属于电路设计技术领域。该方法包括拟合晶体管在目标频率范围内的输入或输出阻抗；采用数值计算法获得输入或输出阻抗的等效网络；构造与等效网络对应的“共轭”网络，并将“共轭”网络与晶体管相连；对“共轭”网络进行优化，得到最佳输入或输出“共轭”网络；根据最佳输入或输出“共轭”网络得到最佳输入或输出等效网络；将最佳输入或输出等效网络匹配到端接阻抗，得到最佳匹配网络；将最佳匹配网络与晶体管相连，完成放大器的设计。该方法设计效率高，有利于直观地体现输入或输出之间的相互影响并能够充分发挥晶体管性能。
Description
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域，特别涉及一种微波放大器的设计方法。
背景技术
在近代微波系统中，放大器是最基本和广泛存在的微波功能电路之一。早期的微波放大器依赖于诸如速调管和行波管等电子管或者基于隧道二极管或者变容二极管的负阻特性的固态反射放大器。但是自从20世纪70年代以来，大多数射频和微波放大器使用的均是晶体管器件，例如Si、SiGe BJT、GaAs HBT、GaAs、InP FET和GaN HEMT等。
微波电路的根本是能量的传输或变换，其核心问题是正确处理电路的阻抗、频率和功率的关系，三者既相互独立又相互影响。因此，在射频/微波电路中，阻抗匹配网络的设计至关重要。同时，由于半导体晶体管的增益滚降特性，高频放大器在设计时则需要更加细致的考虑。
在传统的微波放大器设计中，普遍采用的方法是根据放大器的设计指标，利用EDA工具在中心频点出设计初始输入或输出阻抗匹配网络，然后再将匹配网络与晶体管相连并优化，这种方法通常用于单级放大器或者具有较少元件的匹配网络的放大器设计。但是，如果放大器的结构复杂，如多级级联的形式时，放大器除具有输入或输出匹配网络，还具有至少一个级间匹配网络。有时，出于宽带设计或者其他性能考虑，还需要多阶匹配网络，这时，匹配元件便迅速增多，由于晶体管随频率变化特性不同于无源元件的简单线性特性，在这种情况下，如果依然利用EDA工具对整个电路进行设计，效率很低，并且不利于直观地体现输入或输出之间的相互影响以及充分发挥晶体管的性能，导致浪费高频晶体管的宝贵增益等现象的发生。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种提高设计效率，有利于直观地体现输入或输出之间的相互影响并能够充分发挥晶体管性能的微波放大器的设计方法。
本发明提供的微波放大器的设计方法包括以下步骤：
拟合晶体管在目标频率范围内的输入或输出阻抗；
采用数值计算法获得所述输入或输出阻抗的等效网络；
构造与所述等效网络对应的“共轭”网络，并将所述“共轭”网络与所述晶体管相连；
对所述“共轭”网络进行优化，得到最佳输入或输出“共轭”网络；
根据所述最佳输入或输出“共轭”网络得到最佳输入或输出等效网络；
将所述最佳输入或输出等效网络匹配到端接阻抗，获得最佳匹配网络；将所述最佳匹配网络与晶体管相连，完成放大器的设计。
作为优选，当所述放大器为多级放大器时，还包括级间最佳匹配网络，所述级间最佳匹配网络是将后一级最佳输入匹配网络匹配到前一级的最佳输出匹配网络得到的。
作为优选，所述拟合晶体管在目标频率范围内的输入或输出阻抗包括以下步骤：
利用EDA工具获得晶体管在不同频率下的输入或输出阻抗；
采用多参数等效网络拟合晶体管在目标频率范围内的输入或输出阻抗。
作为优选，所述多参数等效网络包括电阻和电抗元件。
作为优选，所述电抗元件包括电容。
作为优选，所述电抗元件还包括电感。
作为优选，所述等效网络的“共轭”网络是在等效网络拓扑连接方式不变的情况下，将所述等效网络中的电抗元件在数值上取“负”得到的。
作为优选，所述最佳输入或输出等效网络是在等效网络拓扑连接方式不变的情况下，将所述最佳输入或输出“共轭”网络中的电抗元件在数值上取“负”得到的。
作为优选，所述晶体管包括裸管芯、封装后的管芯，经过预匹配的管芯，或者，源极、栅极或漏极有反馈元件的管芯。
本发明提供的微波放大器的设计方法设计效率高，有利于直观地体现输入或输出之间的相互影响并能够充分发挥晶体管性能。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的微波放大器的设计方法设计的两级级联放大器的原理结构示意简图；
图2为本发明实施例提供的微波放大器的设计方法中两参数输入阻抗等效网络拓扑结构示意图；
图3为本发明实施例提供的微波放大器的设计方法中两参数输出阻抗等效网络拓扑结构示意图；
图4为本发明实施例提供的微波放大器的设计方法中三参数输入阻抗等效网络拓扑结构示意图；
图5为本发明实施例提供的微波放大器的设计方法中三参数输出阻抗等效网络拓扑结构示意图；
图6为本发明实施例提供的微波放大器的设计方法中“共轭”网络的构造方法示意图；
图7为本发明实施例提供的微波放大器的设计方法中“共轭”网络与晶体管相连后的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的微波放大器的设计方法中最佳输入等效网络匹配到端接阻抗的输入匹配网络的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的微波放大器的设计方法中后一级晶体管最佳输入等效网络和前一级晶体管最佳输出等效网络之间的级间匹配网络的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的微波放大器的设计方法中最佳输出等效网络匹配到端接阻抗的输出匹配网络的结构示意图；
图11为根据本发明实施例提供的微波放大器的设计方法设计的两级级联放大器的原理结构示意图；
图12为根据本发明实施例提供的微波放大器的设计方法设计的两级级联放大器的整体在优化前计算机仿真小信号S参数曲线，其中，实线代表dB（S（2,1）），点划线代表dB（S（1,1）），虚线代表dB（S（2,2））。
具体实施方式
为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供的微波放大器的设计方法包括以下步骤：
步骤1：拟合晶体管在目标频率范围内的输入或输出阻抗。
步骤1.1：利用EDA工具获得FET1和FET2在不同频率下的输入或输出阻抗。本实施例中，基于半导体晶体管的微波测试，在ADS中利用Smith ChartUtility或者Matching Utility得到FET1和FET2对应的输入或输出阻抗的电阻和电抗元件随频率变化曲线，通过该曲线获得FET1和FET2的目标频率范围。
步骤1.2：采用多参数等效网络拟合FET1和FET2在目标频率范围内的输入或输出阻抗。
其中，多参数等效网络包括电阻和电抗元件。
其中，电抗元件包括电容。
其中，电抗元件还包括电感，以便于在晶体管负载阻抗的频率范围很宽的情况下获得的输入或输出阻抗的等效网络具有更高的吻合度。。
步骤2：采用数值计算法获得输入或输出阻抗的等效网络，参见附图2～5，其中，附图2是包括电阻和电容的两参数输入阻抗等效网络拓扑结构示意图，附图3是包括电阻和电容的两参数输出阻抗等效网络拓扑结构示意图，附图4是包括电阻、电容和电感的三参数输入阻抗等效网络拓扑结构示意图，附图5是包括电阻、电容和电感的三参数输出阻抗等效网络拓扑结构示意图。实践中，等效网络拓扑结构是根据功能需要，如虚部吸收、偏置接入、隔直、谐波抑制等选取的。
步骤3：在等效网络拓扑连接方式不变的情况下，将等效网络中的电抗元件在数值上取“负”构造与等效网络对应的“共轭”网络，参见附图6，其中，“负”电容或者“负”电感，只具有数值意义，而不代表实际电容值或者电感值，并将“共轭”网络与晶体管相连，参见附图7。
步骤4：对“共轭”网络进行优化，即对“共轭”网络中的各参数的数值进行调整，得到最佳输入或输出“共轭”网络。
步骤5：将最佳输入或输出“共轭”网络中的电抗元件取“负”得到最佳输入或输出等效网络。
步骤6：将最佳输入或输出等效网络匹配到端接阻抗，本实施例中，端接阻抗为50Ω的电阻，得到最佳匹配网络，参见附图8～10，其中，图8为最佳输入等效网络匹配到端接阻抗的输入匹配网络的结构示意图；图9为后一级晶体管最佳输入等效网络和前一级晶体管最佳输出等效网络之间的级间匹配网络的结构示意图；图10为最佳输出等效网络匹配到端接阻抗的输出匹配网络的结构示意图。将最佳匹配网络与晶体管相连，完成放大器的设计，参见附图1。本实施例中，参见附图11，所示两级级联放大器的最终原理示意图中TL1～TL12为微带线，电容除C5～C8作为旁路电容外，其他电容都参与匹配。
其中，晶体管可以包括晶体管包括裸管芯、封装后的管芯，经过预匹配的管芯，或者，源极、栅极或漏极有反馈元件的管芯。
将最后得到的两极级联放大器，不经过任何调谐优化，在ADS中直接仿真，可以得到如图12所示的小信号S参数曲线。由仿真结果图可知，采用本发明公开的方法设计的示例两级放大器几乎无需再经过繁琐的调谐优化就已经得到非常好的结果，带宽超过预期的4GHz（8~12GHz），而且增益平坦度很好其中点m10处频率为7.000GHz，dB（S（2，1））为23.041，点m15处频率为12.50GHz，dB（S（1,1））为21.224。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微波放大器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
拟合晶体管在目标频率范围内的输入或输出阻抗；
采用数值计算法获得所述输入或输出阻抗的等效网络；
构造与所述等效网络对应的“共轭”网络，并将所述“共轭”网络与所述晶体管相连；
通过对所述“共轭”网络中的各参数的数值进行调整，对所述“共轭”网络进行优化，得到最佳输入或输出“共轭”网络；
将最佳输入或输出“共轭”网络中的电抗元件取“负”得到最佳输入或输出等效网络；
将所述最佳输入或输出等效网络匹配到端接阻抗，得到最佳输入或输出匹配网络；将所述最佳输入或输出匹配网络与晶体管相连，完成放大器的设计；
其中，
所述等效网络的“共轭”网络是在等效网络拓扑连接方式不变的情况下，将所述等效网络中的电抗元件在数值上取“负”得到的。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，当所述放大器为多级放大器时，还包括级间最佳匹配网络，所述级间最佳匹配网络是将后一级最佳输入匹配网络匹配到前一级的最佳输出匹配网络得到的。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述拟合晶体管在目标频率范围内的输入或输出阻抗包括以下步骤：
利用EDA工具获得晶体管在不同频率下的输入或输出阻抗；
采用多参数等效网络拟合晶体管在目标频率范围内的输入或输出阻抗。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述多参数等效网络包括电阻和电抗元件。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述电抗元件包括电容。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述电抗元件还包括电感。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述最佳输入或输出等效网络的得到方式如下：在拓扑连接方式不变的情况下，在所述最佳输入或输出“共轭”网络中的电抗元件在数值上取“负”得到所述最佳输入或输出等效网络。
8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述晶体管包括裸管芯，或者，封装后的管芯，或者，经过预匹配的管芯，或者，源极、栅极或漏极有反馈元件的管芯。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210236066.1A CN102739167B (zh) | 2012-07-09 | 2012-07-09 | 一种微波放大器的设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210236066.1A CN102739167B (zh) | 2012-07-09 | 2012-07-09 | 一种微波放大器的设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102739167A CN102739167A (zh) | 2012-10-17 |
| CN102739167B true CN102739167B (zh) | 2016-08-24 |
Family
ID=46994085
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210236066.1A Expired - Fee Related CN102739167B (zh) | 2012-07-09 | 2012-07-09 | 一种微波放大器的设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102739167B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103391051A (zh) * | 2013-07-03 | 2013-11-13 | 吴江市同心电子科技有限公司 | 一种微带线匹配低噪声放大器 |
| CN108052733A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-05-18 | 湖南时变通讯科技有限公司 | 一种电路设计方法和装置 |
| CN110231614B (zh) * | 2019-07-05 | 2024-01-26 | 电子科技大学 | 基于无源变频的微波测距系统 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1564457A (zh) * | 2004-03-26 | 2005-01-12 | 清华大学 | 一种微波放大电路的优化设计方法 |
| CN101567670A (zh) * | 2009-05-18 | 2009-10-28 | 南京赛格微电子科技有限公司 | 一种宽带多目标低噪声放大器的实现方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001332935A (ja) * | 2000-05-19 | 2001-11-30 | Fujitsu Ltd | マイクロ波増幅器 |
-
2012
- 2012-07-09 CN CN201210236066.1A patent/CN102739167B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1564457A (zh) * | 2004-03-26 | 2005-01-12 | 清华大学 | 一种微波放大电路的优化设计方法 |
| CN101567670A (zh) * | 2009-05-18 | 2009-10-28 | 南京赛格微电子科技有限公司 | 一种宽带多目标低噪声放大器的实现方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102739167A (zh) | 2012-10-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107332527B (zh) | 一种基于紧凑型输出匹配网络的宽带高效j类功率放大器实现方法 | |
| CN109525207B (zh) | 适用于5g网络的射频功率放大器 | |
| CN106656069B (zh) | 一种应用于gsm射频功率放大器的多频输出匹配网络 | |
| Lin et al. | A 2–20-GHz 10-W high-efficiency GaN power amplifier using reactive matching technique | |
| CN112865725B (zh) | 一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构 | |
| WO2009060264A1 (en) | Integrated circuit having harmonic termination circuitry | |
| Momeni et al. | A high gain 107 GHz amplifier in 130 nm CMOS | |
| WO2023082934A1 (zh) | Mmic射频功率放大器 | |
| CN104779919A (zh) | 一种自偏置的超宽带低功耗低噪声放大器 | |
| CN113381713A (zh) | 一种基于可重构电感的双频段低噪声放大器 | |
| Salvucci et al. | A straightforward design technique for narrowband multi‐stage low‐noise amplifiers with I/O conjugate match | |
| CN106533367A (zh) | 一种用于td‑lte的高增益cmos低噪声放大器 | |
| CN108712154A (zh) | 一种宽带f类功率放大器及设计方法 | |
| CN112953425A (zh) | 一种基于带通滤波器的平衡式宽带高功率放大器 | |
| CN110222366A (zh) | 一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法 | |
| CN114094955A (zh) | 一种w波段的高增益低噪声放大器电路 | |
| CN102739167B (zh) | 一种微波放大器的设计方法 | |
| CN108509749A (zh) | 一种双通带功率放大器设计方法 | |
| WO2020108176A1 (zh) | 一种超宽带低噪声放大器 | |
| CN110048682A (zh) | 一种基于多级二次谐波控制的宽带连续型功率放大器及设计方法 | |
| CN102340290A (zh) | 一种适用于高频功率器件的稳定网络 | |
| CN116545395B (zh) | 一种谐波调谐输出匹配网络及其设计方法和功放芯片 | |
| CN113395043A (zh) | 一种基于精确谐波控制的高效率双频功率放大器及其设计方法 | |
| Aflaki et al. | Enhanced architecture for microwave current-mode class-D amplifiers applied to the design of an S-band GaN-based power amplifier | |
| CN116629182A (zh) | 高效功率放大器的阻抗匹配网络设计方法和阻抗匹配装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160824 |