微波通信微波放大器的设计讲解

微波通信课程设计说明书微波低噪声放大器的设计起止日期：年月日至年月日学生姓名班级学号成绩指导教师(签字)年月日课题名称微波放大器的设计人数组长同组人员课题的主要内容和要求一、设计目的1.了解射频放大器的基本原理与设计方法。2.利用实验模组实际测量以了解放大器的特性。3.学会使用微波软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果。二、设计任务主要内容：1、了解射频放大器的基本原理与设计方法。2、利用实验模组实际测量以了解放大器的特性。3、学会使用微波软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果。主要任务：1、双边放大器设计。2、单边放大器设计。3、单边设计评价因子。4、放大器的稳定条件。三、设计工作量2周完成具体任务1、了解射频放大器的基本原理与设计方法。2、利用实验模组实际测量以了解放大器的特性。3、学会使用微波软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果。时间安排与完成情况目录一、设计原理............................................1二、设计设备............................................4三、设计步骤............................................4四、设计结果及分析......................................5五、软件仿真............................................7六、总结体会............................................13微波放大器的设计一、设计原理一个射频晶体放大器电路可分为三大部分：二端口有源电路、输入匹配电路及输出匹配电路，如图1所示。一般而言，二端口有源电路采用共射极（或共源极）三极管（BJT、FET）电路，此外，还包括直流偏压电路。而输入匹配电路及输出匹配电路大多采用无源电路，即利用电容、电感或传输线来设计电路。一般放大器电路，根据输入信号功率不同可以分为小信号放大器、低噪声放大器及功率放大器三类。而小信号放大器依增益参数及设计要求，可分成最大增益及固定增益两类。而就S参数设计而言，则可有单向设计及双边设计两种。本单元仅就小信号放大器来说明射频放大器之基本理论及设计方法。1.单边放大器设计（UnilateralAmplifierDesign）所谓单边设计即是忽略有源器件S参数中的S12，即是S12=0。此时可得：ΓIN=S11及ΓOUT=S22则放大器之单边转换增益(UnilateralTransducerGain,GTU)为：LOSTUGGGG其中222222121121111LLLOSSSSGSGSG假若电路又符合下列匹配条件：ΓS=S11*及ΓL=S22*则可得到此放大器电路之最大单边转换增益(MaximumUnilaterlaΓL=ΓOUT*图1放大器电路方框图LLSSSSS22211211'111LLSSSSS22211211'111SSSSSSS11211222'221二端口有源电路输出匹配电路输入匹配电路ΓSΓIN=S’11ΓLGOΓS=ΓIN*GSGLΓOUT=S’22RSRLTransducerGain,GTU,max)：222221211max,1111SSSGTU2.双边放大器设计(BilateralAmplifierDseign)双边设计即是考虑有源器件S参数中的S12，即是S12≠0。此时可得：LLINSSSSS22211211'111及SSOUTSSSSS11211222'221若利用最大增益匹配法（亦称共轭阻抗匹配法），则可得ΓS=ΓIN*及ΓL=ΓOUT*经过推导可利用下列公式计算出最佳输入反射系数ΓSm和最佳输出反射系数ΓLm：2121211124CCBBCSm，2222222224CCBBCLm其中211222111122222111222221122222211111SSSSSSCSSCSSBSSB3.单边设计评价因子（UnilateralFigureofMerit,M）在判断有源元件是否适用单边设计时，主要看它的评价因子是否够小。一般而言，当M值小于0.03或-15dB时即可采用单边设计。其计算公式如下：)1()1(22221122112112SSSSSSM最大增益误差比则为：2max,2)1(1)1(1MGGMTUT其中GT是有源元件的转换增益(TransducerGain)22112221122212)1)(1()1()1(LSLSLSTSSSSSG4.放大器的稳定条件（StabilityCriteria）（1）无条件稳定Unconditionallystable）一个良好的放大器设计电路除考虑增益和输出入匹配外，还需要考虑放大器在工件频段中是否为无条件稳定，以避免电路产生振荡。如图11-2所示:对于一个放大器电路而言，其有源器件在ΓS=0及ΓL=0情况下，无条件稳定的充要条件为K1，|S11|1且|S22|1其中K称为稳定因子（stabilityfactor）2112222221121SSSSK（2）条件稳定（Conditionallystable）当有源器件不符合上述无条件稳定的三大规定时，即称为条件稳定。在此情况下，在输入端平面及输出端平面，必存一些不稳定区域，如图2所示:而在设计输出入匹配电路时，务必避免使用这些区域，以免造成放大器电路自激。其对应无条件稳定的条件为||cS|-rS|1，|S11|1且||cL|-rL|1，|S22|1图2条件稳定圆示意图||cL|-rL|1|S22|1||cS|-rS|1|S11|1cLrLrScS稳定区域(斜线区)而条件稳定则是||cS|-rS|1，|S11|1或||cL|-rL|1，|S22|1（A）输出稳定圆（LoadStabilityCircle）：LLLrc半径22222112SSSrL；圆心22222SCcL（B）输入稳定圆（SourceStabilityCircle）：ssSrc半径22112112SSSrs；圆心22111SCcs二、设计设备项次设备名称数量备注1扫频信号源、示波器1套亦可用标量网络分析仪2放大器模组1组RF2KM7-1A350ΩBNC及1MΩBNC连接线4条4直流电源连接线1条DC-15MICROWAVE软件1套微波软件三、设计步骤步骤一：设定放大器工件频率(f0)与输出入阻抗(RS,RL)。一般射频放大器的输出入阻抗设定为50Ω。步骤二：根据电源选用晶体三极管，同时设定三极管的偏压条件(VCE,IC)，决定出在该条件下的三极管的S参数(S11,S21,12,S22)，并设计适用它的偏压电路。步骤三：将步骤二所获得的S参数代入上述公式计算出下列设计参数：稳定因子，K单边设计评价因子，M最大单边转换增益，GTU,max输入稳定圆的圆心，CS及半径，rS输出稳定圆的圆心，CL及半径，rL最佳输入反射系数ΓSm最佳输出反射系数ΓLm步骤四：检查K值是否小于1。若K值大于1，则为无条件稳定可进行下一步骤。若小于，则须将输出入稳定圆标示于单位圆的史密斯圆图上，以便在设计输出入匹配电路时，避免使用到不稳定区域（如图11-2）所示。步骤五：检查M值是否够小。（1）若M值接近0.03(-15dB)则适用单边设计，可得ΓS=S11*及ΓL=S22*最大增益即为GTU,max（2）若M值大于0.03(-15dB)则须用双边设计，可得ΓS=ΓSm及ΓL=ΓLm最大增益即为GT,max步骤六：利用步骤五所得ΓS及ΓL设计输出入匹配电路。四、设计结果及分析利用ATF-35143设计一2000MHz放大器。其中电源为5VDC，输出入阻抗为50Ω。ATF-35143的S参表(VCS=2V，IDS=10mA，Zo=50Ω，TA=25℃)如下表：Freqency(GHz)S11S21S12S22Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.0.50.49-15312.7980.030500.42-350.60.48-15910.7940.034520.39-350.70.48-1639.3900.037530.38-350.80.47-1678.2870.040550.37-360.90.47-1707.3850.044560.36-371.00.47-1716.6820.047570.37-381.50.441774.9710.065590.40-422.00.411633.4610.083580.42-45ATF-35143ElectricalSpecificationsTA=25°C,RFparametersmeasuredinatestcircuitforatypicaldeviceSymbolSaturatedDrainCurrentUnitsMin.Typ.MaxIdssPinchoffVoltageVDS=1.5V,VGS=0VmA406580VPQuiescentBiasCurrentVDS=1.5V,Ids=10%IdssV-1-0.5-0.4IdTransconductanceVGS=0.45V,VDS=2VmA15gmGatetoDrainCurrentVDS=1.5V,gm=Idss/VPmmho90120IGDOGateLeakageCurrentVGD=5VμA250IgssVGD=VGS=-4VmA10150NFNoiseFigure[3]f=2GHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB0.40.5f=900MHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB0.30.4GaAssociatedGain[3]f=2GHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB16.514181619.518f=900MHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB2018OIP3Output3rdOrderInterceptPointf=2GHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB2114f=900MHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB1914P1dB1dBCompressedInterceptPointf=2GHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB108f=900MHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB99设计结果分析：经公式计算结果，有源器件的K值在工件频率上大于1，为无条件稳定。此结果也可由输出输入稳定圆来验证。输入稳定圆的圆心距离大小|cS|=2.675，大于其半径大小rS=1.644，输出稳定圆的圆心距离大小|cL|=4.123，也大于其半径大小rL=3.085，故可证得为无条件稳定。而计算所得单边设计评价因子M=0.080.03，所以不可以用单边设计，而须采用双边设计。经双边设计计算公式，可得：最佳输入反射系数ΓSm=0.821⊿172.6o最佳输出反射系数ΓLm=0.787⊿41.2o最大转换增益GTmax=20.821dB。本例中最佳输入反射系数和最佳输出反射系数经匹配F0，再加入偏压电路后，可得该放大器电路及模拟结果。五、软件仿真1、进入微波软件MICROWAVE。2、在原理图上设计好相应的电路，设置好P1,P2,P3,P4端口，完成频率设置、尺寸规范、器件的加载、仿真图型等等的设置。3、最后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形。4、电路图，接着是相应的仿真图。图3模拟结果仿真过程：使用AnsoftDesignerS