近年来,微波通信系统得到了极大的发展,进而导致微波射频电路的性能有非常大的进步。而各种通信系统中最关键的电路之一就是放大器。由于半导体技术的发展导致放大器的发展极为迅速。近年来出现了多种使用微波混合集成技术和单片微波集成技术工艺制作的性能优越的放大器。64983
在 20 世纪三十年代以前,通信系统的发展严重受限于器件生产工艺的发展。到1970至1980年期间,先进的GaAs FET和MESFET技术在微波混合集成放大器和电路中得到应用。
到 20 世纪 80 年代,基于硅和 GaAs 技术的微波单片集成电路广泛的应用于卫星通讯、雷达、电子战等设备中。MMIC 的体积小、重量轻、可靠性强、可工作在多倍频程、电路设计灵活方便,并且能够在单片上实现多种功能。在微波工程辅助设计软件 CAD 的帮助下,MMIC 工艺在通信系统的发展中起了重要作用。论文网
1998年,B.Agarwal等人利用栅长为0.1μm的InGaAs/InAlAs HEMT MMIC工艺,制作了3dB带宽为1GHz-157GHz的行波放大器,增益为5dB。2005 年,YusukeInoue等人研制出了DC-90GHz,增益为20dB的InP-HEMT损耗匹配放大器。2008 年,电子科技大学的杨光等人利用 0.25μm栅长的GaAs PHEMT工艺制作了工作频带为18GHz-40GHz,功率增益大于10dB,噪声系数小于2.3dB的单片低噪声放大器,其单片尺寸仅为2.5mm×2.5mm。
除砷化镓场效应晶体管(GaAs FET)以外,现在应用较普遍的低噪声晶体管还有高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)。这两种管型的低噪声特性比砷化镓场效应管更适合于低噪声场合的应用。1981年法国 Thomson-CSF公司研制成功第一个低噪声高电子迁移率晶体管,在10GHz 以下,噪声系数为2.3dB,增益为10.3dB。在此之后的五年里,高电子迁移率晶体管(HEMT)已经取得了显著的进展,成为公认的最适合微波应用的低噪声器件之一。在60GHz以下,用GaAs基的HEMT器件能够达到的噪声系数为 1.7dB,而增益为7.6dB。InP-HEMT在1987年问世之后的几年里,噪声性能已经提高到令人惊奇的程度,是目前毫米波高端应用最好的低噪声器件。在 60GHz以下,InP-HEMT噪声系数能够达到0.98dB,增益8.6dB。
目前微波宽带低噪声放大器的发展方向主要有两个,一个是发展各类功率半导体器件如GaAs MESFET、InPPHEMT、SiN MESFET、GaN HEMT等器件在对新型的半导体材料及有源器件进行深入研究的基础上,主要侧重于有源器件的工作频率、增益、功率密度、输出功率容量的提高;另一面是各类高效率、高功率、微波/毫米波宽带放大电路的基础理论研究,着重研究高效率、高功率、超宽带放大电路的拓扑结构,研究扩展放大器带宽、增益带宽积、功率带宽积以及增益、效率和输出功率等的提高的方法和途径。
随着计算机技术的高度发展,应用于微波电路设计的仿真软件也是层出不穷。从最初简单的计算功能发展到现在的电路仿真直至最近的电磁场(EM)混合仿真的功能,仿真软件的设计能力也是得到逐步的加强。微波电路仿真软件的推出和完善,对于在放大器设计中减少人工计算量,提高设计精度,简化设计过程,缩短产品的研制周期起到了非常重要的作用。有源仿真软件中,以安捷伦公司开发的 ADS 软件功能最为强大,经过实践检验,通过 ADS 仿真软件设计出来的低噪声放大器,经过电路仿真和电磁场混合仿真之后,实际测试结果和仿真结果吻合的较好,指标令人满意。因此,在计算机技术高度发展的今天,利用 ADS 等微波电路仿真软件进行低噪声放大器等有源器件的研究和开发,可以有效的提高设计精度,缩短研发周期。