雷达射频微波器件及电路 课件 第5章 微波固态放大器.pptx

第5章微波固态放大器;

5.1概述;

5.1.1微波双极晶体管

微波双极晶体管通常都是平面结构，和低频晶体管相比，其封装形式和内部结构区别很大。图5-1给出了微波双极晶体管的典型封装形式。其中同轴封装形式适用于同轴电路，多用于功率放大器和振荡器。平面封装形式多用于微带平面电路。平面封装的微波双极晶体管有四个极，一个基极(B)，一个集电极(C)，两个发射极(E)，实际封装外观如图5-2所示，标有点的位置1是基极(B)，与之相对的3是集电极(C)，另两个宽度较宽的2、4为发射极(E)。微波双极晶体管电路符号如图5-3所示。;

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为了工作于微波频段，微波双极晶体管内部结构多采用交指型管芯结构，如图5-4所示。这种结构可以有效减小结电容，提高工作频率。低噪声管交指数目通常只有3～5-条，而功率管交指数目可达10～20条。;

微波双极晶体管的噪声主要有热噪声和散弹噪声两类。热噪声主要是由管子内部电阻的热损耗引起。散弹噪声主要由电流分配的随机性决定，在低频区表现为闪烁噪声，在高频区表现为分流噪声。微波双极晶体管的噪声特性如图5-5-所示，图中纵坐标为噪声系数F，横坐标为频率f，fc1和fc2分别为闪烁噪声区和分流噪声区的上下边界。由图5-5-可见，在中间频率的热噪声区噪声系数最小。;

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5.1.2微波场效应晶体管

微波场效应晶体管(FET)是通过电场来控制半导体中电子流动而实现放大和通断功能的，它属于电子半导体器件。微波频段的场效应晶体管主要有PN结场效应晶体管(JFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOsFET)、金属半导体场效应晶体管(MEsFET)和高电子迁移率场效应晶体管(HEMTFET)。其中高电子迁移率场效应晶体管性能最好，广泛应用于雷达、通信、遥感、宇航通信、医学等领域中。用于制造微波场效应晶体管的半导体材料主要有硅(si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等，其中砷化镓性能最好。;

微波场效应晶体管的结构如图5-6所示。微波场效应晶体管和微波双极晶体管一样也有四个极，一个漏极(D)相当于微波双极晶体管的集电极(C)，一个栅极(G)相当于微波双极晶体管的基极(B)??两个源极(s)相当于微波双极晶体管的发射极(E)。已封装的微波场效应晶体管外观如图5-7所示，有切角的为栅极(G)，与之相对的是漏极(D)，另两个较宽的为源极(s)。微波场效应晶体管的电路符号如图5-8所示。;

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微波场效应晶体管的工作原理如图5-9所示。当源极(s)和漏极(D)之间没有外加电压即sDs=0且栅极(G)上也没有外加电压时，整个器件处于平衡状态，所形成的沟道均匀，如图5-9(a)所示。;

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当sDs0且值较小时，有电流ＩD流过沟道，可以将沟道视为一个电阻，电流ＩD和电压sDs成线性关系，如图5-9(b)所示。

当sDs逐渐增大，电流ＩD也会增大，这时沟道中压降随之增大，使沟道两端电压不同，以致靠近漏端沟道变窄，如图5-9(c)所示。

当sDs增大至某一值时，靠近漏端的沟道夹断，这时对应的电压称为夹断电压，同时流到漏端的电流变为0，如图5-9(d)所示。

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若sDs进一步增大，就会使沟道内夹断长度ΔL增大，使沟道夹断更彻底，如图5-9(e)所示。

当栅极电压不为0时，也有类似的情况。栅极电压的改变可以整体改变沟道的宽度。控制栅极电压可以有效减小或增大沟道宽度，从而达到放大电流ＩD(信号)的目的。;

5.2低噪声放大器;

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5.2.1低噪声放大器的主要指标

1.噪声系数与噪声温度

微波放大器接入电路如图5-11所示，图中Zs为信号源内阻，ss为信号电压，sn为噪声电压。

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噪声系数为放大器的输入信号信噪比与输出信号信噪比的比值，用字母F表示，其定义为

噪声系数的分贝表示为NF，其计算式如下：

由式(5-1)可看出，噪声系数是指信号通过放大器后，由于放大器产生噪声，使信噪比变差，因此导致信噪比下降的倍数。;

当放大器的噪声系数很小时，为了表示方便，采用等效噪声温度Te来表示噪声系数，它与噪声系数的关系如下：

式中，T0为环境温度，其值为293K。理想无噪声放大器的噪声温度为零。

噪声系数与等效噪声温度的对比如表5-1所示。;

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2.功率增益、相关增益与增益平坦度

(1)功率增益。

功率增益表示在接入放大器后和接入放大器前负载上测得的功率比。设信号源内阻和负载阻抗都是50Ω标准阻抗，采用插入法实测增益。设信号源输出功率为P1，将放大器接到信号源上，用功率计测放大器的输出功率