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第6章 微波有源器件与电路  6―1 微波晶体管放大器 6―2 微波混频器 6―3 微波振荡器 6―1 微波晶体管放大器 一、概述 微波晶体管可分为双极晶体管和单极晶体管两种。前者是指PNP或NPN型这类有两种极性不同的载流子参与导电机构的晶体管,亦称为微波晶体三极管;后者只有一种导电机构,通常称为场效应晶体管。 微波晶体管放大器的重要指标是噪声系数和功率增益。晶体管放大器噪声的主要来源是微波晶体管本身及其输入、输出端的外接电路。为了降低其噪声系数,可以采取以下措施: ? (1)尽可能选用基极电阻rb小、特征频率fT高、放大系数β0大的晶体管。 (2)放大器输入端的匹配网络应尽可能使信号源导纳Ys和最佳源导纳Yop为相等的最佳噪声匹配状态,此时放大器的噪声系数为晶体管的最小噪声系数。 ? (3)在多级放大器中,前置放大器的噪声系数对多级放大器的总噪声系数的影响最大。 功率增益是微波晶体管放大器的重要指标之一。由于实际微波晶体管放大器的源阻抗和负载阻抗不同,所得到的功率增益也不同。通常有实际功率增益G、转换功率增益GT和资用功率增益Ga三种。 二、微波晶体管放大器的稳定性 在设计晶体管放大器时,必须保证放大器能稳定工作,不允许产生自激振荡,而且还要远离自激振荡状态,只有在这一条件下讨论放大器性能才有实际意义。通常把晶体管的稳定程度分为两大类:无条件稳定和有条件稳定(亦称绝对稳定条件和潜在不稳定条件)。在前者条件下负载阻抗与源阻抗可以任意选择,均可保证放大器稳定工作;而后者条件下负载阻抗与源阻抗不能任意选择,必须受一崐定条件的限制,否则放大器就不能稳定工作,会产生自激振荡,这对放大器来说是绝对不允许的。 ? 放大器的稳定性主要决定于晶体管的本身参数、源阻抗及负载阻抗的性质和大小。要判别放大器是否稳定,可将放大器等效为一个二端口网络,如图6―1―1所示。若放大器的输入阻抗和输出阻抗的实部对任何无源终端负载而言都是正值,则电路为无条件稳定的。否则就意味着放大器可能会产生自激。 在图6―1―1中,设信号源阻抗为Zs、负载阻抗为ZL和传输线特性阻抗为Z0,三者相等,即Zs=ZL=Z0。并设二端口网络的输入阻抗Z1=R1+jX1,输出阻抗Z2=R2+jX2,则输入端和输出端的反射系数及其模可分别表示为 由式(6―1―3)和式(6―1―4)可见,若网络是无条件稳定的,即R1＞0和R2＞0,则必有|Γ1|＜1和|Γ2|＜1;反之若网络的输入和输出端的反射系数模大于1,即|Γ1|＞1或|Γ2|＞1,则网络是不稳定的。 图6―1―1中Γs和ΓL分别表示网络源端和负载端的反射系数,据网络方程,容易得到 ? 由前面分析可知,|Γ1|＜1是输入端口在ΓL平面上无条件稳定的,|Γ1|＞1为有条件稳定的,因此划分网络输入端是无条件稳定还是有条件稳定的分界线是|Γ1|=1。故令|Γ1|=1,即有 式中 Δ=S22S11-S12S21 将上式按模值的平方展开,并整理可得 (6―1―8) ? 上式是在ΓL复平面上用极坐标表示的圆方程,其中圆心ρ2和半径r2分为别 对于无源负载,必有|ΓL|≤1,因此,若|ΓL|≤1的圆全部落在稳定区域内,则输入端口在ΓL平面上是无条件稳定的,如图6―1―2中(a)和(b)所示;若|ΓL|≤1的圆与S2圆相交,那么|ΓL|≤1的圆的一部分落在不稳定区域,如图6―1―2中(c)、(d)、(e)和(f)所示,则输入端口是有条件稳定的。 ? 为了进一步定量地划分输出平面上的稳定区,需要找出判别圆S2的圆心ρ2与半径r2的关系。它们之间关系可由式(6―1―10)导出,即 1.|S22|2-|Δ|2＞0 由式(6―1―12)可知,必有|ρ2|2＞r22,则原点定在判别圆之外,故判别圆之外是稳定区,而判别圆之内则为不稳定区,如图6―1―2中(a)、(c)和(e)的情况。若要使单位圆全部是稳定区,则必须使单位