分布式放大器原理

分布式放大器是一種特殊的放大器設(shè)計(jì)，其基本原理是將放大功能分布在整個傳輸線路中，從而實(shí)現(xiàn)對信號的有效放大，以下是幾種不同類型的分布式放大器的詳細(xì)介紹：

基于傳輸線理論。這種類型的分布式放大器由多個放大器單元和傳輸線組成，每個放大器單元都具有一定的增益，通過傳輸線將各個放大器單元連接起來，實(shí)現(xiàn)信號的分布式放大。1

利用受激拉曼效應(yīng)。這種類型的分布式放大器，將泵浦光沿光信號傳輸?shù)姆捶较蝠伻雮鬏敼饫w，通過受激拉曼散射效應(yīng)(SRS)實(shí)現(xiàn)對光信號的分布式放大。2

基于晶體管的寄生電容和電感元件。這種類型的分布式放大器能夠克服寄生電容造成的增益滾降，從而在很寬的頻帶內(nèi)(可達(dá)多倍頻乃至十倍頻以上)得到較大的平坦增益，實(shí)現(xiàn)更寬頻帶的信號放大，在超寬帶單片微波集成電路(MMIC)和射頻與微波電路的寬帶放大器研究領(lǐng)域中具有重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用。34

分布式放大器的優(yōu)點(diǎn)包括增益的均勻性、良好的激光抵消效應(yīng)以及在放大寬帶信號時的優(yōu)越性能。這些特性使得分布式放大器在光通信系統(tǒng)、微波功率放大器和超寬帶MMIC等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

ptsxia ? 來源：電路設(shè)計(jì)小工具 ? 2023-07-24 16:20 ? 2316次閱讀

本篇論文由電路設(shè)計(jì)大師Ginzton和Hewlett于1948年首次提出，堪稱分布式放大器的開山鼻祖之作。在文章中，作者采用了直觀的方法去理解并解釋電路原理，對于當(dāng)時的科研環(huán)境來說，欽佩他們的創(chuàng)新思維。讀這篇文章，讓人感覺就像哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸一樣，充滿了探索的激情。這是一篇具有開創(chuàng)性和深遠(yuǎn)影響的論文，值得我們深入學(xué)習(xí)和研究。

分布式放大器*

作者愛德華·金茲頓是一位烏克蘭裔美國工程師，對粒子線性加速器方面做出過杰出貢獻(xiàn)。

另外是大名鼎鼎的惠普聯(lián)合創(chuàng)始人Bill Hewlett。

摘要 - 本論文提出了一種新的寬帶放大器設(shè)計(jì)原理。論文證明，通過沿人工傳輸線(artificial transmission lines)適當(dāng)?shù)胤植计胀娮庸?，可以獲得比普通放大器電路具有更大的帶寬。"最大增益帶寬積"的常規(guī)概念并不適用于這種分布式放大器。分布式放大器的高頻限制似乎是由柵極負(fù)載效應(yīng)決定的。

分布式放大器為設(shè)計(jì)低通或帶通放大器提供了方法。低通放大器可以設(shè)計(jì)成從直流到只有使用商用管可達(dá)到的數(shù)百兆赫的頻率，且具有平坦的頻率響應(yīng)。

本論文包含的一般設(shè)計(jì)考慮因素包括：傳輸線錯誤終端匹配的效果;控制頻率響應(yīng)和相位特性的方法;提供所需增益的設(shè)計(jì)，且使用最少的電子管數(shù)量;以及對高頻限制的討論。放大器的噪聲系數(shù)也得到了評估。

根據(jù)本文描述的原理設(shè)計(jì)的實(shí)用放大器已經(jīng)被制造出來，并且驗(yàn)證了理論預(yù)測。實(shí)驗(yàn)工作將在即將發(fā)布的論文中描述。

I. 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對更寬帶寬放大器的需求穩(wěn)步增長。近年來，級聯(lián)放大器級的傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)被深入研究，并且已經(jīng)表明，對于給定的電子管類型，無論級聯(lián)放大器級之間的耦合系統(tǒng)多么復(fù)雜，都存在最大的“帶寬增益積”。除了達(dá)到這個最大值的實(shí)際困難之外，這個基本限制決定了傳統(tǒng)電子管和電路可以獲得的最大帶寬。

行波(traveling-wave)概念的引入為微波頻率的寬帶放大提供了一種新技術(shù)。原則上，可以制造出能夠放大低頻到微波的行波管。另一方面，行波管的電長度必須很長，并且實(shí)際限制使得此類行波管不可能用于遠(yuǎn)低于的頻率。

迄今為止，尚未找到適用于超寬帶的“視頻”放大器的實(shí)用解決方案。

下面描述的分布式放大器提供了用于設(shè)計(jì)放大器的方法，該放大器具有從低音頻(如果需要，甚至可以從直流開始)到高達(dá)幾百M(fèi)Hz的頻率的平坦頻率響應(yīng)。這是通過將行波概念應(yīng)用于“視頻”頻率區(qū)域來實(shí)現(xiàn)的。通過這種方法，如將要示出的，傳統(tǒng)的帶寬限制被完全移除，高頻限制完全由管內(nèi)的高頻效應(yīng)決定，而不是由管外的電路效應(yīng)決定。

應(yīng)該指出，本文中描述的基本思想并不新穎，是由Percival首次披露的。然而，原因?qū)ψ髡邅碚f并不明確，在文獻(xiàn)中似乎也沒有對這個想法的進(jìn)一步討論。"分布式放大器(distributed amplifier)"這個名字是由本文的作者提出的。

II. 基本原理

Wheeler和其他人已經(jīng)證明，傳統(tǒng)視頻放大器的頻率限制是由一個因子決定的，該因子與管的跨導(dǎo)與輸入和輸出電容乘積的平方根的比例成正比。很明顯，僅僅并聯(lián)電子管并不能幫助改善這一情況;的相應(yīng)增加會被并聯(lián)的電容的相應(yīng)增加所抵消。下面將要描述的分布式放大器通過以特殊的方式并聯(lián)電子管來克服這個困難，這種方式可以分離電子管的電容，同時幾乎可以無限制地增加管的，而不會影響放大器的輸入或輸出阻抗。在最簡單的形式中，這一結(jié)果是通過將電子管電容作為人工傳輸線中的分流元件(shunting element)來實(shí)現(xiàn)的。

圖1顯示了分布式放大器的結(jié)構(gòu)。

圖1 - 基本的分布式放大器。

在輸入端1-1和端口2-2之間，有一條人工傳輸線，它由管的柵極-陰極電容和管之間的電感(或部分)組成。然后，柵極的特征阻抗是

如果將正確的終端阻抗連接到端口2-2，并且假定這條傳輸線是無耗的，那么可以證明在端口的驅(qū)動點(diǎn)阻抗與連接的管的數(shù)量無關(guān)。同樣地，通過利用陽極-陰極的電容來分路另一組線圈，形成了第二條傳輸線。陽極線的阻抗也與管(段)的數(shù)量無關(guān)。連接到端口3-3和4-4的阻抗應(yīng)等于陽極線的特征阻抗。連接到端口的阻抗將被稱為柵極端接;連接到端口3-3的阻抗將被稱為反向端接;連接到端口4-4的阻抗將被稱為陽極端接。端口4-4是輸出端口。

如此形成的兩條傳輸線(根據(jù)設(shè)計(jì))具有相同的傳播速度。

連接到輸入端口1-1的源會產(chǎn)生一個波沿著柵極傳輸線傳播。當(dāng)這個波到達(dá)分立管的柵極時，電流會在管的陽極電路中流動。然后，每個管會在陽極傳輸線中向兩個方向傳輸波。如果反向端接是完美的，那么向左行進(jìn)的陽極傳輸線中的波將被完全吸收，不會貢獻(xiàn)到輸出信號中。向右傳輸?shù)年枠O傳輸線中的波會全部相位相加，這可以通過檢查輸入和輸出端口之間的各種可能的傳輸路徑來驗(yàn)證。因此，輸出電壓與電子管的數(shù)量直接成比例?？偟慕Y(jié)果是，這個分立“級”的有效可以增加到任何所期望的值。因此，無論每個管(段)的增益有多低(即使它小于一)，只要每段的增益大于該段的傳輸線損耗，陽極傳輸線中的信號就會增加，只要使用足夠數(shù)量的管，就可以使增益盡可能大。

圖2 - 每級有n個管的兩級分布式放大器。

當(dāng)一個分布式放大器級中的增益足夠大時，這些級可以按常規(guī)方式級聯(lián)，如圖2所示。

III. 級聯(lián)

很容易證明，有一種將電子管分組的最佳方法。附錄I顯示，當(dāng)每個級 的增益為(自然對數(shù)底，等于2.72)時，產(chǎn)生所需增益所需的管數(shù)最少。每個這樣的級有個部分，這些級級聯(lián)次。因此，這樣的放大器中有個管。

如果需要一個總增益，那么應(yīng)該聯(lián)級的級數(shù)為(見附錄I)：

每個級中必須使用的總段數(shù)必須足夠大，以便為該級提供的增益。的數(shù)量顯然取決于所期望的帶寬和將要使用的管的類型。將管的高頻品質(zhì)因素表示為帶寬指數(shù)頻率是方便的;也就是說，可以獲得的最大帶寬的單位增益。每個級中的段數(shù)量將是所期望帶寬與此指數(shù)頻率比例的簡單函數(shù)。它是

其中

對于我們所討論的情況，需要產(chǎn)生增益的段數(shù)量在圖3中繪制出來，并且還繪出了常規(guī)級聯(lián)放大器的情況。從這個圖可以明顯看出，當(dāng)所需的最大頻率大于正在使用的管的帶寬指數(shù)頻率時，分布式放大器是唯一可用的放大方法。此外，通常發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于理論50%的帶寬是不切實(shí)際的;這是因?yàn)橛_(dá)到理論極限要求使用極其復(fù)雜的耦合電路，這幾乎是不切實(shí)際的，并且會增加對地的雜散電容。但是在分布式放大器中則沒有這個問題。

上述討論中提出的基本思想是關(guān)于低通濾波器結(jié)構(gòu)的。顯然，該原理同樣適用于帶通濾波器。通過利用眾所周知的直流放大技術(shù)，分布式放大器甚至可以在低至直流的頻率下以級聯(lián)方式工作。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，分布式放大器作為一種重要的微波放大器，在雷達(dá)、衛(wèi)星通信、無線通信等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。分布式放大器以其高功率、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，成為了當(dāng)今微波放大器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，分布式放大器面臨著眾多技術(shù)挑戰(zhàn)和難點(diǎn)。本文將詳細(xì)探討分布式放大器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，并分析其解決方案。

二、分布式放大器的基本原理

分布式放大器是一種基于傳輸線理論的微波放大器，其基本原理是將放大器和傳輸線相結(jié)合，通過分布式的方式實(shí)現(xiàn)信號的放大。分布式放大器通常由多個放大器單元和傳輸線組成，每個放大器單元都具有一定的增益，通過傳輸線將各個放大器單元連接起來，實(shí)現(xiàn)信號的分布式放大。

三、分布式放大器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

匹配問題

匹配問題是分布式放大器設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)。由于分布式放大器由多個放大器單元組成，每個放大器單元的輸入和輸出阻抗都可能不同，因此需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行精確的阻抗匹配，以保證信號的傳輸效率和放大效果。此外，隨著頻率的升高，匹配問題變得更加復(fù)雜，需要采用更為精細(xì)的匹配網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)良好的匹配效果。

增益平坦度

增益平坦度是分布式放大器設(shè)計(jì)的另一個重要難點(diǎn)。由于分布式放大器的增益是由多個放大器單元共同貢獻(xiàn)的，因此各個放大器單元的增益差異會導(dǎo)致整體增益的不平坦。為了實(shí)現(xiàn)平坦的增益曲線，需要對各個放大器單元的增益進(jìn)行精確控制，這在實(shí)際設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

噪聲問題

噪聲問題是分布式放大器設(shè)計(jì)中不可忽視的一點(diǎn)。分布式放大器的噪聲主要來源于放大器單元本身和傳輸線的熱噪聲。為了降低噪聲水平，需要選擇低噪聲的放大器單元，并優(yōu)化傳輸線的設(shè)計(jì)，以減少噪聲的引入和傳播。

穩(wěn)定性問題

穩(wěn)定性是分布式放大器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一。由于分布式放大器由多個放大器單元組成，每個放大器單元都可能存在不穩(wěn)定因素，如自激振蕩等。為了保證分布式放大器的穩(wěn)定性，需要采取一系列措施，如引入負(fù)反饋、優(yōu)化偏置電路等，以提高整體穩(wěn)定性。

散熱問題

分布式放大器在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時有效地散熱，將導(dǎo)致放大器性能下降甚至損壞。因此，散熱問題是分布式放大器設(shè)計(jì)中必須考慮的重要因素。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要采用合適的散熱結(jié)構(gòu)，如散熱片、風(fēng)扇等，以確保放大器能夠穩(wěn)定可靠地工作。

四、解決方案

針對上述設(shè)計(jì)難點(diǎn)，可以采取以下解決方案：

精確匹配

采用先進(jìn)的微波測量技術(shù)和仿真軟件，對分布式放大器的阻抗進(jìn)行精確測量和仿真，以實(shí)現(xiàn)精確的阻抗匹配。同時，可以采用可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)不同頻率下的匹配需求。

增益控制

通過優(yōu)化放大器單元的設(shè)計(jì)，減小各個放大器單元之間的增益差異。此外，可以采用增益均衡技術(shù)，如數(shù)字預(yù)失真等，對整體增益進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)平坦的增益曲線。

降低噪聲

選擇低噪聲的放大器單元，并優(yōu)化傳輸線的設(shè)計(jì)，以減少噪聲的引入和傳播。同時，可以采用噪聲抑制技術(shù)，如噪聲抵消等，進(jìn)一步降低噪聲水平。

提高穩(wěn)定性

引入負(fù)反饋、優(yōu)化偏置電路等措施，以提高分布式放大器的穩(wěn)定性。此外，可以采用穩(wěn)定性增強(qiáng)技術(shù)，如自動增益控制等，確保放大器在各種工作條件下都能保持穩(wěn)定。

優(yōu)化散熱

采用合適的散熱結(jié)構(gòu)，如散熱片、風(fēng)扇等，確保分布式放大器在工作過程中能夠及時有效地散熱。同時，可以通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、降低功耗等方式，減少熱量的產(chǎn)生。

五、結(jié)論

分布式放大器作為一種重要的微波放大器，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，分布式放大器面臨著眾多技術(shù)挑戰(zhàn)和難點(diǎn)。通過深入研究和分析這些難點(diǎn)，并采取有效的解決方案，我們可以不斷提高分布式放大器的性能和可靠性，推動其在更廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用和發(fā)展。