基于HP AT41410的射频宽带放大器设计
摘要：在射频领域中，设计宽带放大器的主要障碍是受到有源器件增益——带宽积的制约。任何有源器件的增益在高频端都具有逐渐下降的特征。本文利用频率补偿原理，设计了匹配网络，使得放大器在高频段匹配较好，从而提高高频段的增益；而在低频段失配，从而降低低频段的增益，以提高驻波比为代价，实现了增益的平坦性。计算
表
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明，该放大器在1GHz到4GHz频带范围内增益平坦度为0.5446dB。
关键词：放大器；增益；驻波比；宽频带
一． 放大器的特性指标
射频放大器与常规低频放大器的设计
方法
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不同，它需要考虑稳定性、增益、噪声系数和驻波比等基本要素，依据这些要素才能设计出符合增益、增益平坦度、输出功率、带宽等要求的放大器。下面简要介绍放大器的一些基本特性指标。
1. 稳定性
放大器必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。如果在选定的工作频率和偏置条件下，放大器在整个Smith圆图内都处于稳定状态，就称放大器绝对稳定，同时满足以下两个条件的放大器绝对稳定。
2. 增益
放大器转换功率增益的表达式为：
在输出端口匹配（
）条件下的资用功率增益为：
在输入端口匹配（
）条件下的功率增益为：
设计放大器时，可以让输入端口和输出端口都匹配，这就是所谓双共轭匹配，此时源和负载反射系数为：
式中，
，
，
，
。
也可以采用输入端口匹配输出端口不匹配的
方案
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，此时可在
平面上画出等功率增益圆，根据所需要的功率增益选择负载反射系数进行匹配。
也可以采用输出端口匹配输入端口不匹配的方案，此时可在
平面上画出等资用功率增益圆，根据所需要的资用功率增益选择源反射系数进行匹配。
3. 噪声系数
对许多放大器来说，在低噪声前提下对信号进行放大是系统的要求。噪声系数的表达式为：
可在
平面上画出等噪声系数圆，根据所需要的噪声系数选择源反射系数进行匹配。
4. 驻波比
在某些场合，当对放大器的输入或输出端口进行测量时，其驻波比必须保持在特定指标之下。输入输出驻波比的表达式为：
可在
平面上和
平面上分别画出等输入输出驻波比圆，根据所需要的驻波比选择源和负载反射系数进行匹配。输入和输出驻波比圆不能同时画出，只能用每次只考察一个的迭代方法调整
和
。
在设计放大器时，以上指标不可能同时达到最优，只能采取兼顾的设计原则，不断调整优化。
二．基于HP AT41410的宽带放大器的设计
在射频领域中，设计宽带放大器的主要障碍是受到有源器件增益——带宽积的制约。任何有源器件的增益在高频端都具有逐渐下降的特征，由于
不可能在宽频带内保持为常数，所以必须采取补偿措施。
频率补偿匹配网络在器件的输入或输出端引入失配，用于补偿由于S参量随频率变化产生的影响。频率补偿匹配网络的设计没有固定的方法，必须根据具体情况反复进行调整才能获得满意的结果。下面采用HP AT41410双极结晶体管，利用频率补偿方法设计宽带放大器。
HP AT41410的S参量和噪声参量如下：
从上表可以看到，S21在2GHz时是11.4dB，3GHz时是8.2dB，4GHz时是5.9dB，可见S21的幅值随频率的增加而减小。如果让放大器在4GHz时有最大增益，即进行双共轭匹配，那么该匹配网络在2GHz处会失配，可以引起2GHz处增益的降低。这样就使得高频段增益提高，低频段增益降低，从而提高了频带范围内的增益平坦度。
首先考察晶体管的稳定性，各频率点的稳定因子计算如下：
f(GHz)
2
2.5
3
3.5
4
K
1.1752
1.2576
1.3241
1.1828
1.1985
0.1086
0.0958
0.1090
0.1212
0.1373
可见，在2—4GHz范围内，K>1，
<1，晶体管绝对稳定。
接下来在4GHz出对放大器进行双共轭匹配，经过计算可得
，
，代入转换功率增益表达式可得
=12.2586。根据
和
可设计源和负载匹配网络。
根据该匹配网络，可计算得到：
f(GHz)
4
-0.5457-0.6117j
0.1980+0.7325j
12.2586
3
-0.4304-0.6862j
0.0191+0.6997j
5.3829
2
-0.2023-0.7947j
-0.1657+0.6389j
3.5609
可见，在4GHz处采用双共轭匹配，增益很大，但在低频段增益下降太多，因此，需要降低4GHz处的增益，提高低频段的增益。
采用输入匹配输出不匹配方案，将4GHz处的增益设计为10.2，如下图所示：
图中蓝色圆是4GHz时映射到
平面的等增益圆，红色圆是4GHz时的等噪声系数圆。为兼顾噪声系数，尽量将
选在等噪声系数圆内部，选择
如上图所示，此时可以算出
。据此可设计匹配网络如下：
由该匹配网络可计算得到：
f(GHz)
（dB）
4
-0.4512-0.5715j
0.2512+0.4374j
10.2
10.086
3.5
-0.4153-0.5881j
0.2032+0.4015j
11.5626
10.6306
3
-0.3445-0.6094j
0.1531+0.3587j
10.2439
10.1047
2.5
-0.2938-0.6353j
0.1162+0.3195j
10.4986
10.2113
2
-0.1725-0.6784j
0.0754+0.2593j
10.5763
10.2433
1.5
-0.0382-0.729j
0.0448+0.2052j
10.6421
10.2703
1
0.2299-0.7663j
0.0222+0.1483j
10.7819
10.3270
由上表可见，在1GHz到4GHz的频带范围内，增益平坦度为0.5446dB。还可计算出输入输出驻波比如下所示：
f(GHz)
VSWR_IMN
VSWR_OMN
4
1
2.1114
3.5
2.1577
1.8302
3
3.8259
1.9405
2.5
5.6314
2.2104
2
8.8142
2.3617
1.5
15.1764
2.4301
1
32.9608
2.6782
由上表可见，在高频段驻波比低，在低频段驻波比高，以提高驻波比为代价，可以实现增益的平坦性。
三．
总结
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在简单介绍放大器的基本特性参数后，根据晶体管的S21随频率增加而下降的特性，利用频率补偿原理，设计了匹配网络，使得放大器在高频段匹配良好，从而提高高频段的增益；而在低频段失配，从而降低低频段的增益，以提高驻波比为代价，经过反复调整，实现了增益的平坦性。计算表明，该放大器在1GHz到4GHz频带范围内增益平坦度为0.5446dB。
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