有效抑制了HBT大信號Kink效應的寬帶功率放大器

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計過程中，砷化鎵異質結雙極型晶體管（HBT）共發(fā)組態(tài)工作模式下的輸出反射系數S22，在某一頻率將會出現(xiàn)Kink 效應，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效應的復合晶體管結構來擴展放大器的帶寬，簡化寬帶輸出匹配的設計。

自Shey-Shi Lu，Yo-Sheng Lin等人提出HBT的Kink效應以來，關于該現(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的新型HBT復合晶體管結構，能夠有效消除 HBT的小信號Kink效應。但是有關于該現(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，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計。通過軟件仿真，結果表明：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，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

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S22在某一頻率處出現(xiàn)一拐點，這種現(xiàn)象稱為Kink效應，如圖1所示。另外隨著器件尺寸的增加，Kink效應有增強的趨勢。

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。為了有效消除HBT的Kink效應，文獻提出了基于負反饋技術的新型HBT復合晶體管結構，本文在該結構上另加1個電阻R2調整反饋強度和相位，其拓撲結構如圖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接近于一個簡單的RC串聯(lián)電路，且電阻值R為一常數，能夠有效消除HBT的小信號Kink效應。

1．2 大信號Kink效應及其消除

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，分別采用新型HBT復合管和普通HBT管設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仿真結果表明，HBT在大信號輸入情況下的S22同樣具有Kink效應，然而采用復合管結構能夠使HBT大信號情況下的輸出阻抗在很寬的頻率范圍內為一常數，S22的Kink效應得到有效的消除。

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得到設計所需要的輸出負載阻抗值，其結果如圖5所示。

如圖5所示，Load-Pull的結果表明，在整個頻帶內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，所以采用該結構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計，獲得較好的功率輸出特性。

2 放大器設計

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計了兩款寬帶功率放大器，匹配電路采用基本LC匹配結構，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S12很小。因而單向模型經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絡就可以分開設計，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，因此輸入匹配網絡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，應用CAD技術對電路的初步設計結果進行優(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如圖7（a）所示。5～12 GHz頻帶內小信號參數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，功率增益PGain=12 dB，增益帶寬積為16 GHz，復合管結構放大器功率增益為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。以上結果較好地說明了利用新型HBT復合管結構能有效地消除HBT的大信號Kink效應，進而擴展放大器帶寬。同時，設計的復合管結構寬帶功率放大器在整個頻率范圍內具有較高的功率輸出，具有實際應用價值。

3 結束語

利用一種新型HBT復合晶體管結構設計了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設計了一款寬帶功率放大器電路作為比較，結果表明：采用該新型HBT復合晶體管結構作為有源器件可以有效消除Ga-As HBT的大信號Kink效應，利用其設計寬帶功率放大器可以有效提高放大器的增益帶寬積，同時和其他技術相比，該放大器結構簡單，具有較好的實際應用價值。