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作者：PanHongliang

仅供个人学习

512GHz新型复合管宽带功率放大器设计

时来源：电子科技作者：程华，严唯敏，滑育楠，

胡善文，高怀东南大学

摘要利用一种新型HBT复合晶体管结构设计了

一款宽带功率放大器，有效抑制了HBT的大信号

Kink效应。采用微波仿真软件AWR对电路结构进

行了优化和仿真，结果显示，在5～12GHz频带

内，复合晶体管结构的输出阻抗值更稳定，带宽得到

有效扩展，最高增益达到11dB，带内波动0．5

dB，在9GHz工作频率时，其1dB压缩点处的输出

功率为26dBm。

关键词宽带匹配；Kink效应；GaAsHBT；复合

晶体管

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HBTKink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-ShiLu，Yo-ShengLin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

1．1HBT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