5～12GHz新型复合管宽带功率放大器设计

摘要 利用一种新型HBT复合晶体管结构设计了一款宽带功率放大器，有效抑制了HBT的大信号Kink效应。采用微波仿真软件AWR对电路结构进行了优化和仿真，结果显示，在5～12 GHz频带内，复合晶体管结构的输出阻抗值更稳定，带宽得到有效扩展，最高增益达到11 dB，带内波动<0．5 dB，在9 GHz工作频率时，其1 dB压缩点处的输出功率为26 dBm。

关键词 宽带匹配；Kink效应；GaAs HBT；复合晶体管

随着宽带无线通信系统的不断发展，对高灵敏度、大动态范围、高效率的宽带放大器的需求也越来越大，从某种意义上讲，宽带放大器性能的好坏直接决定着微波系统性能的优劣。然而在宽带放大器的设计过程中，砷化镓异质结双极型晶体管(HBT)共发组态工作模式下的输出反射系数S22，在某一频率将会出现Kink 效应，因此采用HBT实现宽带放大器时，会给工作频带跨越Kink点的宽带输出匹配设计带来难题。目前，有效扩展带宽的方法有反比例级联、并联峰值、电容峰值、分布式放大器和fT倍频器技术等。但这些方法都会不同程度地增加电路的复杂度，需要占用更多的芯片面积。本文使用一种改善HBT Kink效应的复合晶体管结构来扩展放大器的带宽，简化宽带输出匹配的设计。

自Shey-Shi Lu，Yo-Sheng Lin等人提出HBT的Kink效应以来，关于该现象的小信号理论分析日臻成熟。文献提出一种基于负反馈技术的新型HBT复合晶体管结构，能够有效消除 HBT的小信号Kink效应。但是有关于该现象的大信号研究较为罕见。

文中首先基于AWR软件研究HBT的大信号Kink效应，其次分别采用新型HBT复合管和普通HBT管(以下分别简称复合管、普通管)来完成两款宽带功率放大器的设计。通过软件仿真，结果表明：该新型HBT复合晶体管不但可以有效消除HBT的大信号Kink效应，而且还明显扩展放大器的带宽，提高增益带宽积，简化输出端的阻抗匹配设计。

1 新型HBT复合晶体管大信号特性

1．1 HBT的小信号Kink效应

随着频率的升高，晶体管自身寄生电容Cce，Cbe，Cbc等对器件性能的影响明显增加，使得HBT共发组态工作模式下的输出反射系数S22在某一频率处出现一拐点，这种现象称为Kink效应，如图1所示。另外随着器件尺寸的增加，Kink效应有增强的趋势。

可以看出，低频时HBT的输出阻抗等效为串联的RC电路，而高频时则等效为并联的RC电路，在两种等效电路的过渡过程中就出现了图1中所示的拐点，即 Kink效应。为了有效消除HBT的Kink效应，文献提出了基于负反馈技术的新型HBT复合晶体管结构，本文在该结构上另加1个电阻R2调整反馈强度和相位，其拓扑结构如图2所示。

在图2中，共射极连接的HBT1作为常规放大器件工作在放大状态，HBT2作为HBT1的负反馈支路工作在反向状态。HBT2发射极通过一个小电感L和一个小电阻R2连接到电路输出端，由于该电感均衡寄生电容对输出阻抗的影响，使得HBT在共发组态工作模式下，其小信号输出阻抗在整个工作频段内接近于一个简单的RC串联电路，且电阻值R为一常数，能够有效消除HBT的小信号Kink效应。

1．2 大信号Kink效应及其消除

功率放大器工作在大信号状态时，HBT放大管的工作状态和等效电路模型不同于小信号情况。为了深入研究HBT的大信号Kink效应，分别采用新型HBT复合管和普通HBT管设计了两个单级放大电路，如图3所示，同时其大信号S22随频率变化的仿真曲线如图4所示。

作者：程 华，严唯敏，滑育楠，胡善文，高 怀 东南大学   来源：电子科技