隨著寬帶無線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對高靈敏度、大動態(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，在某一頻率將會出現(xiàn)Kink 效應(yīng)，因此采用HBT實現(xiàn)寬帶放大器時，會給工作頻帶跨越Kink點的寬帶輸出匹配設(shè)計帶來難題。目前，有效擴展帶寬的方法有反比例級聯(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)來擴展放大器的帶寬，簡化寬帶輸出匹配的設(shè)計。
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)象的小信號理論分析日臻成熟。文獻提出一種基于負反饋技術(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Kink效應(yīng)。但是有關(guān)于該現(xiàn)象的大信號研究較為罕見。
文中首先基于AWR軟件研究HBT的大信號Kink效應(yīng)，其次分別采用新型HBT復(fù)合管和普通HBT管(以下分別簡稱復(fù)合管、普通管)來完成兩款寬帶功率放大器的設(shè)計。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Kink效應(yīng)，而且還明顯擴展放大器的帶寬，提高增益帶寬積，簡化輸出端的阻抗匹配設(shè)計。
1 新型HBT復(fù)合晶體管大信號特性
1．1 HBT的小信號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，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)有增強的趨勢。
可以看出，低頻時HBT的輸出阻抗等效為串聯(lián)的RC電路，而高頻時則等效為并聯(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，即 Kink效應(yīng)。為了有效消除HBT的Kink效應(yīng)，文獻提出了基于負反饋技術(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個電阻R2調(diào)整反饋強度和相位，其拓撲結(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的負反饋支路工作在反向狀態(tài)。HBT2發(fā)射極通過一個小電感L和一個小電阻R2連接到電路輸出端，由于該電感均衡寄生電容對輸出阻抗的影響，使得HBT在共發(fā)組態(tài)工作模式下，其小信號輸出阻抗在整個工作頻段內(nèi)接近于一個簡單的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Kink效應(yīng)。
1．2 大信號Kink效應(yīng)及其消除
功率放大器工作在大信號狀態(tài)時，HBT放大管的工作狀態(tài)和等效電路模型不同于小信號情況。為了深入研究HBT的大信號Kink效應(yīng)，分別采用新型HBT復(fù)合管和普通HBT管設(shè)計了兩個單級放大電路，如圖3所示，同時其大信號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載阻抗，在4～12 GHz頻帶內(nèi)進行常規(guī)的負載牽引(Load-Pull)測試，得到最佳輸出功率和功率增益。Load-Pull得到設(shè)計所需要的輸出負載阻抗值，其結(jié)果如圖5所示。
如圖5所示，Load-Pull的結(jié)果表明，在整個頻帶內(nèi)普通管電路最佳負載阻抗的實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，可以簡化其輸出端的功率匹配電路設(shè)計，獲得較好的功率輸出特性。
2 放大器設(shè)計
基于上述小信號和大信號特性分析，分別采用普通管和復(fù)合管設(shè)計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，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)需要提供一個增益補償，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)對電路的初步設(shè)計結(jié)果進行優(yōu)化，最終得到較為滿意的單級功率放大器。
在Kink頻率點處復(fù)合管寬帶放大器的大信號參數(shù)如圖7(a)所示。5～12 GHz頻帶內(nèi)小信號參數(shù)仿真曲線及兩款放大器功率增益的帶寬特性對比如圖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Kink效應(yīng)，進而擴展放大器帶寬。同時，設(shè)計的復(fù)合管結(jié)構(gòu)寬帶功率放大器在整個頻率范圍內(nèi)具有較高的功率輸出，具有實際應(yīng)用價值。
3 結(jié)束語
利用一種新型HBT復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計了5～12 GHz寬帶功率放大器，并采用AWR軟件進行CAD優(yōu)化，使寬帶功放達到較高的性能指標(biāo)。另一方面，利用普通管HBT設(shè)計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Kink效應(yīng)，利用其設(shè)計寬帶功率放大器可以有效提高放大器的增益帶寬積，同時和其他技術(shù)相比，該放大器結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的實際應(yīng)用價值。