分布式放大器原理

分布式放大器是一种特殊的放大器设计，其基本原理是将放大功能分布在整个传输线路中，从而实现对信号的有效放大，以下是几种不同类型的分布式放大器的详细介绍：

基于传输线理论。这种类型的分布式放大器由多个放大器单元和传输线组成，每个放大器单元都具有一定的增益，通过传输线将各个放大器单元连接起来，实现信号的分布式放大。1

利用受激拉曼效应。这种类型的分布式放大器，将泵浦光沿光信号传输的反方向馈入传输光纤，通过受激拉曼散射效应(SRS)实现对光信号的分布式放大。2

基于晶体管的寄生电容和电感元件。这种类型的分布式放大器能够克服寄生电容造成的增益滚降，从而在很宽的频带内(可达多倍频乃至十倍频以上)得到较大的平坦增益，实现更宽频带的信号放大，在超宽带单片微波集成电路(MMIC)和射频与微波电路的宽带放大器研究领域中具有重要的学术价值和应用。34

分布式放大器的优点包括增益的均匀性、良好的激光抵消效应以及在放大宽带信号时的优越性能。这些特性使得分布式放大器在光通信系统、微波功率放大器和超宽带MMIC等领域得到广泛应用。

ptsxia • 来源：电路设计小工具 • 2023-07-24 16:20 • 2316次阅读

本篇论文由电路设计大师Ginzton和Hewlett于1948年首次提出，堪称分布式放大器的开山鼻祖之作。在文章中，作者采用了直观的方法去理解并解释电路原理，对于当时的科研环境来说，钦佩他们的创新思维。读这篇文章，让人感觉就像哥伦布发现了新大陆一样，充满了探索的激情。这是一篇具有开创性和深远影响的论文，值得我们深入学习和研究。

分布式放大器*

作者爱德华·金兹顿是一位乌克兰裔美国工程师，对粒子线性加速器方面做出过杰出贡献。

另外是大名鼎鼎的惠普联合创始人Bill Hewlett。

摘要 - 本论文提出了一种新的宽带放大器设计原理。论文证明，通过沿人工传输线(artificial transmission lines)适当地分布普通电子管，可以获得比普通放大器电路具有更大的带宽。"最大增益带宽积"的常规概念并不适用于这种分布式放大器。分布式放大器的高频限制似乎是由栅极负载效应决定的。

分布式放大器为设计低通或带通放大器提供了方法。低通放大器可以设计成从直流到只有使用商用管可达到的数百兆赫的频率，且具有平坦的频率响应。

本论文包含的一般设计考虑因素包括：传输线错误终端匹配的效果;控制频率响应和相位特性的方法;提供所需增益的设计，且使用最少的电子管数量;以及对高频限制的讨论。放大器的噪声系数也得到了评估。

根据本文描述的原理设计的实用放大器已经被制造出来，并且验证了理论预测。实验工作将在即将发布的论文中描述。

I. 引言

随着电子技术的发展，对更宽带宽放大器的需求稳步增长。近年来，级联放大器级的传统技术已经被深入研究，并且已经表明，对于给定的电子管类型，无论级联放大器级之间的耦合系统多么复杂，都存在最大的“带宽增益积”。除了达到这个最大值的实际困难之外，这个基本限制决定了传统电子管和电路可以获得的最大带宽。

行波(traveling-wave)概念的引入为微波频率的宽带放大提供了一种新技术。原则上，可以制造出能够放大低频到微波的行波管。另一方面，行波管的电长度必须很长，并且实际限制使得此类行波管不可能用于远低于的频率。

迄今为止，尚未找到适用于超宽带的“视频”放大器的实用解决方案。

下面描述的分布式放大器提供了用于设计放大器的方法，该放大器具有从低音频(如果需要，甚至可以从直流开始)到高达几百MHz的频率的平坦频率响应。这是通过将行波概念应用于“视频”频率区域来实现的。通过这种方法，如将要示出的，传统的带宽限制被完全移除，高频限制完全由管内的高频效应决定，而不是由管外的电路效应决定。

应该指出，本文中描述的基本思想并不新颖，是由Percival首次披露的。然而，原因对作者来说并不明确，在文献中似乎也没有对这个想法的进一步讨论。"分布式放大器(distributed amplifier)"这个名字是由本文的作者提出的。

II. 基本原理

Wheeler和其他人已经证明，传统视频放大器的频率限制是由一个因子决定的，该因子与管的跨导与输入和输出电容乘积的平方根的比例成正比。很明显，仅仅并联电子管并不能帮助改善这一情况;的相应增加会被并联的电容的相应增加所抵消。下面将要描述的分布式放大器通过以特殊的方式并联电子管来克服这个困难，这种方式可以分离电子管的电容，同时几乎可以无限制地增加管的，而不会影响放大器的输入或输出阻抗。在最简单的形式中，这一结果是通过将电子管电容作为人工传输线中的分流元件(shunting element)来实现的。

图1显示了分布式放大器的结构。

图1 - 基本的分布式放大器。

在输入端1-1和端口2-2之间，有一条人工传输线，它由管的栅极-阴极电容和管之间的电感(或部分)组成。然后，栅极的特征阻抗是

如果将正确的终端阻抗连接到端口2-2，并且假定这条传输线是无耗的，那么可以证明在端口的驱动点阻抗与连接的管的数量无关。同样地，通过利用阳极-阴极的电容来分路另一组线圈，形成了第二条传输线。阳极线的阻抗也与管(段)的数量无关。连接到端口3-3和4-4的阻抗应等于阳极线的特征阻抗。连接到端口的阻抗将被称为栅极端接;连接到端口3-3的阻抗将被称为反向端接;连接到端口4-4的阻抗将被称为阳极端接。端口4-4是输出端口。

如此形成的两条传输线(根据设计)具有相同的传播速度。

连接到输入端口1-1的源会产生一个波沿着栅极传输线传播。当这个波到达分立管的栅极时，电流会在管的阳极电路中流动。然后，每个管会在阳极传输线中向两个方向传输波。如果反向端接是完美的，那么向左行进的阳极传输线中的波将被完全吸收，不会贡献到输出信号中。向右传输的阳极传输线中的波会全部相位相加，这可以通过检查输入和输出端口之间的各种可能的传输路径来验证。因此，输出电压与电子管的数量直接成比例。总的结果是，这个分立“级”的有效可以增加到任何所期望的值。因此，无论每个管(段)的增益有多低(即使它小于一)，只要每段的增益大于该段的传输线损耗，阳极传输线中的信号就会增加，只要使用足够数量的管，就可以使增益尽可能大。

图2 - 每级有n个管的两级分布式放大器。

当一个分布式放大器级中的增益足够大时，这些级可以按常规方式级联，如图2所示。

III. 级联

很容易证明，有一种将电子管分组的最佳方法。附录I显示，当每个级 的增益为(自然对数底，等于2.72)时，产生所需增益所需的管数最少。每个这样的级有个部分，这些级级联次。因此，这样的放大器中有个管。

如果需要一个总增益，那么应该联级的级数为(见附录I)：

每个级中必须使用的总段数必须足够大，以便为该级提供的增益。的数量显然取决于所期望的带宽和将要使用的管的类型。将管的高频品质因素表示为带宽指数频率是方便的;也就是说，可以获得的最大带宽的单位增益。每个级中的段数量将是所期望带宽与此指数频率比例的简单函数。它是

其中

对于我们所讨论的情况，需要产生增益的段数量在图3中绘制出来，并且还绘出了常规级联放大器的情况。从这个图可以明显看出，当所需的最大频率大于正在使用的管的带宽指数频率时，分布式放大器是唯一可用的放大方法。此外，通常发现使用传统电路实现远高于理论50%的带宽是不切实际的;这是因为欲达到理论极限要求使用极其复杂的耦合电路，这几乎是不切实际的，并且会增加对地的杂散电容。但是在分布式放大器中则没有这个问题。

上述讨论中提出的基本思想是关于低通滤波器结构的。显然，该原理同样适用于带通滤波器。通过利用众所周知的直流放大技术，分布式放大器甚至可以在低至直流的频率下以级联方式工作。

随着现代通信技术的飞速发展，分布式放大器作为一种重要的微波放大器，在雷达、卫星通信、无线通信等领域中发挥着越来越重要的作用。分布式放大器以其高功率、高效率、高可靠性等优点，成为了当今微波放大器领域的研究热点。然而，在实际的设计过程中，分布式放大器面临着众多技术挑战和难点。本文将详细探讨分布式放大器的设计难点，并分析其解决方案。

二、分布式放大器的基本原理

分布式放大器是一种基于传输线理论的微波放大器，其基本原理是将放大器和传输线相结合，通过分布式的方式实现信号的放大。分布式放大器通常由多个放大器单元和传输线组成，每个放大器单元都具有一定的增益，通过传输线将各个放大器单元连接起来，实现信号的分布式放大。

三、分布式放大器的设计难点

匹配问题

匹配问题是分布式放大器设计中的一大难点。由于分布式放大器由多个放大器单元组成，每个放大器单元的输入和输出阻抗都可能不同，因此需要在设计过程中进行精确的阻抗匹配，以保证信号的传输效率和放大效果。此外，随着频率的升高，匹配问题变得更加复杂，需要采用更为精细的匹配网络来实现良好的匹配效果。

增益平坦度

增益平坦度是分布式放大器设计的另一个重要难点。由于分布式放大器的增益是由多个放大器单元共同贡献的，因此各个放大器单元的增益差异会导致整体增益的不平坦。为了实现平坦的增益曲线，需要对各个放大器单元的增益进行精确控制，这在实际设计中是一项极具挑战性的任务。

噪声问题

噪声问题是分布式放大器设计中不可忽视的一点。分布式放大器的噪声主要来源于放大器单元本身和传输线的热噪声。为了降低噪声水平，需要选择低噪声的放大器单元，并优化传输线的设计，以减少噪声的引入和传播。

稳定性问题

稳定性是分布式放大器设计中的关键问题之一。由于分布式放大器由多个放大器单元组成，每个放大器单元都可能存在不稳定因素，如自激振荡等。为了保证分布式放大器的稳定性，需要采取一系列措施，如引入负反馈、优化偏置电路等，以提高整体稳定性。

散热问题

分布式放大器在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地散热，将导致放大器性能下降甚至损坏。因此，散热问题是分布式放大器设计中必须考虑的重要因素。在实际设计中，需要采用合适的散热结构，如散热片、风扇等，以确保放大器能够稳定可靠地工作。

四、解决方案

针对上述设计难点，可以采取以下解决方案：

精确匹配

采用先进的微波测量技术和仿真软件，对分布式放大器的阻抗进行精确测量和仿真，以实现精确的阻抗匹配。同时，可以采用可调谐匹配网络，以适应不同频率下的匹配需求。

增益控制

通过优化放大器单元的设计，减小各个放大器单元之间的增益差异。此外，可以采用增益均衡技术，如数字预失真等，对整体增益进行补偿和调整，以实现平坦的增益曲线。

降低噪声

选择低噪声的放大器单元，并优化传输线的设计，以减少噪声的引入和传播。同时，可以采用噪声抑制技术，如噪声抵消等，进一步降低噪声水平。

提高稳定性

引入负反馈、优化偏置电路等措施，以提高分布式放大器的稳定性。此外，可以采用稳定性增强技术，如自动增益控制等，确保放大器在各种工作条件下都能保持稳定。

优化散热

采用合适的散热结构，如散热片、风扇等，确保分布式放大器在工作过程中能够及时有效地散热。同时，可以通过优化电路设计、降低功耗等方式，减少热量的产生。

五、结论

分布式放大器作为一种重要的微波放大器，在现代通信领域中发挥着越来越重要的作用。然而，在实际设计过程中，分布式放大器面临着众多技术挑战和难点。通过深入研究和分析这些难点，并采取有效的解决方案，我们可以不断提高分布式放大器的性能和可靠性，推动其在更广泛的领域中得到应用和发展。