有效抑制了HBT大信號(hào)Kink效應(yīng)的寬帶功率放大器

隨著寬帶無線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、高效率的寬帶放大器的需求也越來越大，從某種意義上講，寬帶放大器性能的好壞直接決定著微波系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。然而在寬帶放大器的設(shè)計(jì)過程中，砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）共發(fā)組態(tài)工作模式下的輸出反射系數(shù)S22，在某一頻率將會(huì)出現(xiàn)Kink 效應(yīng)，因此采用HBT實(shí)現(xiàn)寬帶放大器時(shí)，會(huì)給工作頻帶跨越Kink點(diǎn)的寬帶輸出匹配設(shè)計(jì)帶來難題。目前，有效擴(kuò)展帶寬的方法有反比例級(jí)聯(lián)、并聯(lián)峰值、電容峰值、分布式放大器和fT倍頻器技術(shù)等。但這些方法都會(huì)不同程度地增加電路的復(fù)

雜度，需要占用更多的芯片面積。本文使用一種改善HBT Kink效應(yīng)的復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)來擴(kuò)展放大器的帶寬，簡(jiǎn)化寬帶輸出匹配的設(shè)計(jì)。

自Shey-Shi Lu，Yo-Sheng Lin等人提出HBT的Kink效應(yīng)以來，關(guān)于該現(xiàn)象的小信號(hào)理論分析日臻成熟。文獻(xiàn)提出一種基于負(fù)反饋技術(shù)的新型HBT復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)，能夠有效消除 HBT的小信號(hào)Kink效應(yīng)。但是有關(guān)于該現(xiàn)象的大信號(hào)研究較為罕見。

文中首先基于AWR軟件研究HBT的大信號(hào)Kink效應(yīng)，其次分別采用新型HBT復(fù)合管和普通HBT管（以下分別簡(jiǎn)稱復(fù)合管、普通管）來完成兩款寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)。通過軟件仿真，結(jié)果表明：該新型HBT復(fù)合晶體管不但可以有效消除HBT的大信號(hào)Kink效應(yīng)，而且還明顯擴(kuò)展放大器的帶寬，提高增益帶寬積，簡(jiǎn)化輸出端的阻抗匹配設(shè)計(jì)。

1 新型HBT復(fù)合晶體管大信號(hào)特性

1．1 HBT的小信號(hào)Kink效應(yīng)

隨著頻率的升高，晶體管自身寄生電容Cce，Cbe，Cbc等對(duì)器件性能的影響明顯增加，使得HBT共發(fā)組態(tài)工作模式下的輸出反射系數(shù)S22在某一頻率處出現(xiàn)一拐點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為Kink效應(yīng)，如圖1所示。另外隨著器件尺寸的增加，Kink效應(yīng)有增強(qiáng)的趨勢(shì)。

可以看出，低頻時(shí)HBT的輸出阻抗等效為串聯(lián)的RC電路，而高頻時(shí)則等效為并聯(lián)的RC電路，在兩種等效電路的過渡過程中就出現(xiàn)了圖1中所示的拐點(diǎn)，即 Kink效應(yīng)。為了有效消除HBT的Kink效應(yīng)，文獻(xiàn)提出了基于負(fù)反饋技術(shù)的新型HBT復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)，本文在該結(jié)構(gòu)上另加1個(gè)電阻R2調(diào)整反饋強(qiáng)度和相位，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖2中，共射極連接的HBT1作為常規(guī)放大器件工作在放大狀態(tài)，HBT2作為HBT1的負(fù)反饋支路工作在反向狀態(tài)。HBT2發(fā)射極通過一個(gè)小電感L和一個(gè)小電阻R2連接到電路輸出端，由于該電感均衡寄生電容對(duì)輸出阻抗的影響，使得HBT在共發(fā)組態(tài)工作模式下，其小信號(hào)輸出阻抗在整個(gè)工作頻段內(nèi)接近于一個(gè)簡(jiǎn)單的RC串聯(lián)電路，且電阻值R為一常數(shù)，能夠有效消除HBT的小信號(hào)Kink效應(yīng)。

1．2 大信號(hào)Kink效應(yīng)及其消除

功率放大器工作在大信號(hào)狀態(tài)時(shí)，HBT放大管的工作狀態(tài)和等效電路模型不同于小信號(hào)情況。為了深入研究HBT的大信號(hào)Kink效應(yīng)，分別采用新型HBT復(fù)合管和普通HBT管設(shè)計(jì)了兩個(gè)單級(jí)放大電路，如圖3所示，同時(shí)其大信號(hào)S22隨頻率變化的仿真曲線如圖4所示。

圖4仿真結(jié)果表明，HBT在大信號(hào)輸入情況下的S22同樣具有Kink效應(yīng)，然而采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)能夠使HBT大信號(hào)情況下的輸出阻抗在很寬的頻率范圍內(nèi)為一常數(shù)，S22的Kink效應(yīng)得到有效的消除。

功率放大器輸出端的負(fù)載特性將直接影響到輸出端匹配電路的復(fù)雜度，為了獲得最佳功率輸出負(fù)載阻抗，在4～12 GHz頻帶內(nèi)進(jìn)行常規(guī)的負(fù)載牽引（Load-Pull）測(cè)試，得到最佳輸出功率和功率增益。Load-Pull得到設(shè)計(jì)所需要的輸出負(fù)載阻抗值，其結(jié)果如圖5所示。

如圖5所示，Load-Pull的結(jié)果表明，在整個(gè)頻帶內(nèi)普通管電路最佳負(fù)載阻抗的實(shí)部和虛部都隨頻率發(fā)生變化，而復(fù)合管電路的輸出阻抗隨頻率變化不大，所以采用該結(jié)構(gòu)作為寬帶功率放大器的有源放大器件，可以簡(jiǎn)化其輸出端的功率匹配電路設(shè)計(jì)，獲得較好的功率輸出特性。

2 放大器設(shè)計(jì)

基于上述小信號(hào)和大信號(hào)特性分析，分別采用普通管和復(fù)合管設(shè)計(jì)了兩款寬帶功率放大器，匹配電路采用基本LC匹配結(jié)構(gòu)，輸入匹配滿足高通特性，輸出匹配滿足低通特性，如圖6所示。

在微波頻段，GaAs HBT的反向傳輸散射參數(shù)S12很小。因而單向模型經(jīng)微小修正后就可以作單向近似，以至于這種器件的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)就可以分開設(shè)計(jì)，分別解決寬帶功放的輸入端和輸出端的匹配問題，由于有源器件隨頻率上升，其增益按6 dB倍頻程下降，因此輸入匹配網(wǎng)絡(luò)需要提供一個(gè)增益補(bǔ)償，以保證放大器平坦的增益特性。為了使放大器的增益更平坦，應(yīng)用CAD技術(shù)對(duì)電路的初步設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，最終得到較為滿意的單級(jí)功率放大器。

在Kink頻率點(diǎn)處復(fù)合管寬帶放大器的大信號(hào)參數(shù)如圖7（a）所示。5～12 GHz頻帶內(nèi)小信號(hào)參數(shù)仿真曲線及兩款放大器功率增益的帶寬特性對(duì)比如圖7（b）所示。

從圖7可以看出，普通管放大器在6～10 GHz的工作頻率范圍內(nèi)，功率增益PGain=12 dB，增益帶寬積為16 GHz，復(fù)合管結(jié)構(gòu)放大器功率增益為PGain=11 dB，帶寬拓展至5～12 GHz，增益帶寬積達(dá)到25 GHz，明顯高于前者。以上結(jié)果較好地說明了利用新型HBT復(fù)合管結(jié)構(gòu)能有效地消除HBT的大信號(hào)Kink效應(yīng)，進(jìn)而擴(kuò)展放大器帶寬。同時(shí)，設(shè)計(jì)的復(fù)合管結(jié)構(gòu)寬帶功率放大器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有較高的功率輸出，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用一種新型HBT復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了5～12 GHz寬帶功率放大器，并采用AWR軟件進(jìn)行CAD優(yōu)化，使寬帶功放達(dá)到較高的性能指標(biāo)。另一方面，利用普通管HBT設(shè)計(jì)了一款寬帶功率放大器電路作為比較，結(jié)果表明：采用該新型HBT復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)作為有源器件可以有效消除Ga-As HBT的大信號(hào)Kink效應(yīng)，利用其設(shè)計(jì)寬帶功率放大器可以有效提高放大器的增益帶寬積，同時(shí)和其他技術(shù)相比，該放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。