51.5小信号微波晶体管放大器 §1.51有源二口网络的S参数 a 原因:物理含义确切,易测量 lI 12 =0 12=0 测量:开路测阻抗参数Z 短路测导纳参数Y H1 1 22 匹配测散射参数S Y
1 §1.5 小信号微波晶体管放大器 §1.5.1 有源二口网络的S参数 原因：物理含义确切，易测量 a2 b1 b2 a1 1 1' 2 2' [S] 0 1 1 11 2 | = a = a b S 0 1 2 21 2 | = a = a b S 0 2 1 12 1 | = a = a b S 0 2 2 22 1 | = a = a b S 测量：开路测阻抗参数Z 短路测导纳参数Y 匹配测散射参数S 0 2 1 0 1 2 1 2 2 1 0 2 2 0 2 2 1 1 1 1 2 1 2 1 = = = = = = = = I I I I I U Z I U Z I U Z I U Z 0 1 2 0 12 2 1 21 0 2 2 0 22 1 1 11 1 2 2 1 = = = = = = = = U U U U U I Y U I Y U I Y U I Y
FET的S参数 gs Ras G 封装外壳很重要:降低性能恶 化,寄生参数小,散热、尺寸 无封装 有封装 (s22 22 0 Frequency 10 1-19. 1GHz)
2 FET 的S参数 Rg Cgs Rgs Cdg Cdc gmvgs Gds Cds Rd Rs G D S 无封装 有封装 封装外壳很重要：降低性能恶 化，寄生参数小，散热、尺寸
§1.52微波晶体管放大器增益 输入输出阻抗 ai a2 c FET b2- 输入匹 输出匹配 I I Zo 配电路 out n 电路 由于:b=S11+S2 b b2=S2a1+S22 代入负载反射系数: b1=S1a1+S12b2 解得 +五 0 自学p.18 同法得F 22+12 out out 0 S12≠S21有源器件二端口网络是非互易网络; 对不同的工作频率和直流工作点,晶体管的S参数不同
3 • 由于： 代入负载反射系数： • 解得 §1.5.2 微波晶体管放大器增益 一、输入输出阻抗 G1 Gin Gout GL AC 输入匹 配电路 输出匹配 电路 Zso ZL0 FET a1 a2 b b2 1 Gs G2 Zin Zout [S] in in Zin Z − G + G = 1 1 0 out out Zout Z − G + G = 1 1 0 L L i n S S S S a b − G G G = = + 2 2 1 2 2 1 1 1 1 1 1 S S out S S S S a b − G G G = = + 1 1 1 2 2 1 2 2 2 2 1 • 同法得 2 21 1 22 2 1 11 1 12 2 b S a S a b S a S a = + = + L L b S a S b b S a S b = + G = + G 2 21 1 22 2 1 11 1 12 2 S12S21 有源器件二端口网络是非互易网络； 对不同的工作频率和直流工作点，晶体管的S参数不同。 2 2 b a GL = 自学p.18
、功率增益 al FEra2← 输入匹 输出匹配 配电路 电路 ZLo S I2 转换功率增益 Gr Transducer Gain 最大功率增益 MAG Maximum Available Gain 最大稳定功率增益 MSG Maximum Stable Gain 转换增益 S2|(-r)(1-r T 自学pp.19~21 S1,)(1-S2I)=S2S2lP 定义:负载吸收的功率P1与信源资用功率P。之比 P是指负载与信源共轭匹配时信源能给出的最大信号功率
4 二、功率增益 转换功率增益 GT Transducer Gain 最大功率增益 MAG Maximum Available Gain 最大稳定功率增益 MSG Maximum Stable Gain 2 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 1 (1 )(1 ) (1 )(1 ) s L s L s L a L T S S S S S P P G − G − G − G G − G − G = = • 转换增益 定义：负载吸收的功率PL与信源资用功率Pa之比 Pa是指负载与信源共轭匹配时信源能给出的最大信号功率 自学pp.19~21 G1 Gin Gout GL AC 输入匹 配电路 输出匹配 电路 Zso ZL0 FET a1 a2 b b2 1 Gs G2 Zin Zout [S]
Gr的基本概念: 1.物理意义:插入放大器后负载实际得到的功率与无放大器 时可能得到的最大功率比 2.和S参数、输入、输出阻抗(Is、F)有关 3.双向共轭匹配:Is=ri,I1=Iot+-MAG(共轭匹配是 实部相等,虚部抵消,无反射,传输功率最大) 4.输入、输出都无反射匹配:Fs=r1=0→ GT=S212< MAG
5 GT 的基本概念: 1. 物理意义：插入放大器后负载实际得到的功率与无放大器 时可能得到的最大功率比 2. 和S参数、输入、输出阻抗(GS、G L )有关 3. 双向共轭匹配：GS = Gin * ， GL = Gout * -- MAG (共轭匹配是 实部相等，虚部抵消，无反射，传输功率最大) 4. 输入、输出都无反射匹配： G S = G L = 0 GT = |S21| 2 < MAG
S212(1-r2X1-r2}) (1-S1X(1-S2T2) 1221 由于输入口共轭匹配,即Is=rmn,Gr只随而变化,且G是 I的二次方程,等增益即Gr为常数时的I在r复平面上是圆 L 等增益圆的半径和圆心是: 1-2KS1,S 圆半径: 12218a 1221 a 1+ K=1-s-s2+ 圆心位置:pa 2S12S21 1+8(S、 △=S 1122 1221 6
6 由于输入口共轭匹配，即GS = Gin * ，GT只随GL而变化，且GT是 GL的二次方程，等增益即GT为常数时的GL在GL复平面上是圆。 2 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 1 (1 )(1 ) (1 )(1 ) s L s L s L a L T S S S S S P P G − G − G − G G − G − G = = 圆心位置： 圆半径： 1 ( ) 2 2 22 * 2 + − = g S g C a a a 1 ( ) 1 2 2 2 22 2 2 12 21 12 21 + − − + = g S K S S g S S g r a a a a 12 21 2 2 22 2 11 2 1 S S S S K − − + = = S11S22 − S12S21 = − * C2 S22 S11 2 2 L a a G − = r 等增益圆的半径和圆心是： 2 21 S G g T a =
等增益圆 S2(1-T)(1- (1-S1(-S2I2)=S2S2F MAG Ts=1n*、T=out*时,是共轭 匹配,增益最高,GT=MAG 8dB ≠i1n*,IL 时,失配 增益下降 在史密斯圆中呈现等增益圆
7 等 增 益 圆 在史密斯圆中呈现等增益圆 MAG -2dB -4dB -8dB 2 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 1 (1 )(1 ) (1 )(1 ) s L s L s L T S S S S S G − G − G − G G − G − G = GS=Gin * 、GL=Gout *时，是共轭 匹配，增益最高，GT = MAG GSGin * ，GLGout *时，失配， 增益下降
§1.5.3微波放大器稳定性 、稳定性判别圆 R S12 输入匹配 输出匹配 电路 S11 电路 FET 微波管有内部反馈S12是反馈,S12、S2有相位移 判断不稳定依据:输入或输出端是否等效有负阻 E=S1+ 211L 1 221L (R 0)2+X IZin+Zol V(Rn+Zo)2+X
8 §1.5.3 微波放大器稳定性 1 1 1 G = a b in Gin GL A C 输入匹配 电路 输出匹配 电路 R0 R0 FET S12 S11 微波管有内部反馈 S12是反馈，S12、S21有相位移 判断不稳定依据 ：输入或输出端是否等效有负阻 一、稳定性判别圆 2 2 0 2 2 0 0 0 ( ) ( ) i n i n i n i n i n i n i n R Z X R Z X Z Z Z Z + + − + = + − G = L L i n S S S S − G G G = + 22 12 21 11 1
稳定性判别圆的建立 ( Imt Imt 2 稳定 R 稳定 Re(r) Re(ro) |= 复平面 r复平面 T复平面 输入端稳定性判别圆 △I 无源负载: S,,+-12 221L △=S1S22-S2S21-分式线性变换
9 稳定性判别圆的建立 ( ) Re Gin ( ) Gin Im ( ) GL Im ( ) Re GL Gin复平面 GL复平面 不稳定 不稳定 稳定 ( ) GL Im ( ) Re GL GL复平面 11 S 稳定 S2圆 S2圆 G = 1 in G =1 L GL =1 输入端稳定性判别圆 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 1 2 2 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 S S S S S S S S S S a b L L L L i n = − − G − G = − G G G = = + --分式线性变换 无源负载： |GL |<1
稳定性判别圆位置 输入端稳定性判别圆rn}=1 自学p.22 圆心位置向量 2 S 判别圆的半径 式中 △=S1S2-S12S21 输出端稳定性判别圆 圆心位置向量 R1=1511 判别圆的半径 C1=S1-S2△
10 稳定性判别圆位置 2 2 22 * 2 2 − = S C R 2 2 22 12 21 2 − = S S S P = − * 2 22 11 C S S = S11S22 − S12S21 • 输入端稳定性判别圆 圆心位置向量 判别圆的半径 • 输出端稳定性判别圆 圆心位置向量 判别圆的半径 式中： 2 2 11 * 1 1 − = S C R 2 2 11 12 21 1 − = S S S P = − * C1 S11 S22 |Gin|=1 自学 p.22