摘要 利用一種新型HBT復合晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款寬帶功率放大器，有效抑制了HBT的大信號Kink效應(yīng)。采用微波仿真軟件AWR對電路結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化和仿真，結(jié)果顯示，在5～12 GHz頻帶內(nèi)，復合晶體管結(jié)構(gòu)的輸出阻抗值更穩(wěn)定，帶寬得到有效擴展，最高增益達到11 dB，帶內(nèi)波動<0．5 dB，在9 GHz工作頻率時，其1 dB壓縮點處的輸出功率為26 dBm。

關(guān)鍵詞 寬帶匹配；Kink效應(yīng)；GaAs HBT；復合晶體管

    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

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復合管和普通HBT管(以下分別簡稱復合管、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。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。