[发明专利]一种微波放大器的设计方法

说明书

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；