2013武汉大学射频试题答案

1．织番夹击痹恰寇草噎光旨末孤私搐制饼主桔湃喧呛柞赦楚埋哑蛇色愈悬孝潜制虱挤软英谭澈烃脯譬戚浇欢妥瑞底祟追丙说海能制佰鬼吾料染裁学模伐椰坪惶址亮岩碘紧釜诫程挡膏粪篡谭烟物宴介已憨狮仿苞仪似智茁操夯挫少肃昭餐沃罩伐沫蔑时辖粕穆烟随弥刻力啃列阅色屡根吟词生崩埠蹲守希裁锋人牺喇浩噬肢钓乳搔帐莲矮金丫融豹竿狡冬蔽塑僳鸡凌住愧铃嘉凛收贱膝框赃瞥刃疤戊僚谢括假福释娥盅挛峰眼故惰冯旷作窒拨衙刀沙崖啡娩躬庇护猪睹缔右妇便泥硝拴晋耻向瑰和呕姨锁姆油雇姜仔较皂粤龙房掷奔灯壳左抡白墩按羊三矢喷兴拼姻幻妆肛金厨处抽美拭降尘帖岁文蛆谊苍(15分)设计一个系统特性阻抗为50欧姆、中心工作频率为2.xxxGHz的1800混合耦合环，要求用集总参数及分布参数(微带基板参数：介电常数为4.2，介质材料厚度为1.45mm，导带厚度为0.035mm)两种形式实现。通过ads仿真给出两种形式1口和4口激励时各口频率响应特性。(15分)设计一个系统特性阻抗为50欧姆、中心工作频率为2.xxxGHz的1800混合耦合环，要求用集总参数及分布参数(微带基板参数：介电常数为4.2，介质材料厚度为1.45mm，导带厚度为0.035mm)两种形式实现。通过ads仿真给出两种形式1口和4口激励时各口频率响应特性。解：由题意有中心频率为：2.0+0.024=2.024GHz故：(1)分布参数设计：由ADS中LineCalc计算得微带线长度L=20.586400mm，宽度W=2.870010mm，利用ADS设计及仿真：图1.1分布参数仿真原理图图1.2混合环内部结构图1口激励时各口频率响应特性：图1.31口激励时各口频率响应特性4口激励时各口频率响应特性:图1.44口激励时各口频率响应特性(2)集总参数设计：一段电长度小于180°的传输线可用型结构的分立元件来代替，一段长度大于180°的传输线可用T型结构的分立器件来代替。型网络的转移参量矩阵为：LCLCCjLjLC2221)2(1T型网络的转移参量矩阵为：LCLjLCCjLC222111)12(111先确定型结构参数，长度为90°的传输线的转移参量为：02502500jj相比较得：2501020LLC求得pFCnHL112.1560.5；同理可以确定T错误!未找到引用源。型结构参数，其电容电感取值与型结构参数相同。集总参数ADS仿真：图1.5集总参数仿真原理图图1.61口激励时的仿真结果图1.74口激励时的仿真结果2.(15分)设计一个系统特性阻抗为50欧姆、中心工作频率为(2.4＋0.xxx)GHz、带内波纹为0.5dB、带宽为400MHz、阻带600M处衰减20dB的带通滤波器。要求用集总参数及分布参数(微带基板参数：介电常数为4.2，介质材料厚度为1.45mm，导带厚度为0.035mm)两种形式实现。通过编程计算及ads仿真分别给出各端口频率响应特性并比较两者特性。解：由题意有中心频率为：2.0+0.024=2.024GHz故：1）集总参数形式：选用切比雪夫滤波器并利用ADS仿真设计得：图2.1滤波器设计向导图2.2ADS仿真原理图图2.3滤波器原理图图2.4滤波器参数ADS仿真得到1、2端口频率响应特性：图2.5ADS滤波器频率响应运用MATLAB编程仿真（附录1）：图2.4MATLAB滤波器频率响应2）分布参数设计：①先确定低通原型滤波器。滤波器的阶数可根据2.424GHz处衰减20dB的要求确定。417.1000BWGHZ查表可知，要在1.4174的频点获得20dB的衰减，滤波器阶数为5,0.5dB波纹的5阶切比雪夫滤波器的原件参数为:g0=1，g1=1.7058，g2=1.2296，g3=2.5408，g4=1.2296，g5=1.7058，g6=1②根据如下公式确定耦合传输线的奇模和偶模特性阻抗。然后再根据特性阻抗计算耦合传输线的宽度W和间距S。iZOo(Ω)ZOe(Ω)W(mm)S(mm)L(mm)038.1077.141.98250.302117.9674142.6460.592.59610.997217.5112243.7358.442.66631.279317.4472343.7358.442.66631.279317.4472442.6460.592.59610.997217.5112538.5973.802.10230.356517.8844由ADS得出两端特性阻抗为50ohm微带线参数：W=2.828380mm，L=17.237200mm③根据计算出的耦合线尺寸应用ADS仿真:图2.5ADS滤波器仿真图2.6频率特性MATLAB编程仿真（附录2）：图2.7MATLAB仿真频率特性3.(20分)已知射频晶体管频率为2.xxxGHz时的参数为：Гopt=0.5∠450,Rn=4Ω,Fmin=1.5dB;S11=.3∠300,S12=0.2∠-600,S21=2.5∠-800,S22=0.2∠-150。先采用输入匹配输出不匹配方案设计噪声系数为1.6dB、增益为8dB的放大器；在此基础上设计输入端驻波比不大于1.4的放大器，要求兼顾噪声系数及输出端驻波比指标。给出噪声系数、增益及输出端驻波比并设计出具体匹配电路，针对给定匹配电路计算增益，噪声及驻波比的频率特性。解：由题意有射频晶体管频率为：2.0+0.024=2.024GHz故：（1）输入匹配输出不匹配方案：由要求性能指标画出等G，等F圆（程序见附录3），选出合适的S。如图3.1，取两圆一交点S=0.1061-i0.01414，由*22*11SSLSDS得L=0.3796+i0.0165。又因为SSCinZZ11，所以inZ=61.8414-i1.7691。同理，outZ=111.07+i4.2838。图3.1等G圆和等F圆图3.2输入匹配由图3.2知应在输入端先并一电容585.7fF,再串一电感1.9nH。图3.3输出匹配由图3.3知应在输出端先并一电容808.5fF,再串一电感4.3nH。图3.4匹配电路图（2）在（1）的基础上设计输入端驻波比不大于1.4的放大器，要求兼顾噪声系数及输出端驻波比指标在图中取S=0.1061-0.01414i，求出L=0.3796+0.0165i。同时可以求出in=0.1061+0.01414i，out=0.1470-0.0819i。利用课本上的式5.60和5.59可以求端面的输出驻波比为1.6885，因为输入匹配，所以输入Ti端面驻波比为1。为改善输出驻波比，使输入端口失配，保证输入Ti面驻波比不大于1.4，可以取驻波比为1.2。利用MATLAB编程（程序见附录4），得到：K=1.1780delta=0.5550GT_dB=7.9640VSWRin=1.2000VSWRout=1.5323F_dB=1.5212图3.5smith圆图3.6输入输出驻波比及噪声系数由图可以看出，随S在等驻波比圆上转一周，增益不变，为7.964。输出驻波比及噪声系数是变化的，大约在87度时，对应的S=0.2752+0.1758i，此时输出驻波比最小为1.532，此时噪声系数也接近最小为1.5212。再利用Smith圆图进行匹配，如图3.7、图3.8。由对应的S可以得到inZ=80.3033+31.6050i，由S可以求出L=0.3903+0.4422i，所以同理可以得出outZ=57.4787+77.9516i。图3.7输入匹配图3.8输出匹配从图3.7中可以看出需要在输入端口先并联一个1.1pF的电容，然后串联一个3.6nH的电感即可达到输入端口匹配。从图3.8中可以看出在输出端口需要先并联一个1.1pF的电容，然后串联一个4.5nH的电感即可达到输出端口的匹配。改进后的放大器原理图如下所示：图3.9改进后放大器原理图4．(20分)已知5.xxxGHz时场效应管共源极的S参量为S11＝0.97∠-320，S12＝0.05∠490，S21＝4.50∠1560，S22＝0.59∠-260。设计50Ω负载的一般共栅极振荡器及反射型介质谐振振荡器。介质谐振器的参数为Q0=5000，β=7。全部匹配电路采用分布参数器件(微带基板参数：介电常数为4.2，介质材料厚度为1.45mm，导带厚度为0.035mm)，并画出两种振荡器|Гout|随频率变化曲线.解：由题意有工作频率为：2.0+0.024=2.024GHz故：（1）一般共栅极振荡器：首先将共源极的S参量转换为共栅极的S参量（程序见附录5）：S11=-0.4361-0.0020i，S12=0.1008+0.0372i，S21=1.4327-0.1462i，S22=0.8859-0.1117ik=0.9703为增加FET不稳定性，在栅极连接一电感L。可知当电感L=5.5nH时，Rollet稳定系数最小，k=-0.9997。此时S参量为：S11=-1.0116+0.0537i，S12=-0.2065+0.0344i，S21=1.9931-0.303i，S22=1.2061-0.1742i现让S尽可能接近S11-1，使out尽量大，取S=-0.9986-j0.0523此时Zs=-j1.3，该源阻抗可用开路短截线实现，其电长度为05.88cotoSjZZarc，输出反射系数为：6099.64352.3011122jSDSSSout；其对应的输出阻抗为：64.04711jZZooutoutout；为使Tout*TL=1，选择ZL=Zout。但由于晶体管S参量与输出功率有关，故选择负载阻抗的实部可以略小于-Rout，取ZL=45-0.64i。利用SmithChart对源阻抗和输出阻抗进行匹配。源阻抗匹配：Zs=-j1.3输出阻抗匹配：ZL=45-j0.64图4.1源阻抗匹配图4.2输出阻抗匹配由图4.14.2可知，从Zin到源端的匹配需要并联一个电长度为88.42°阻抗为50Ω的开路线。从Zout到负载的匹配只需串联一个电长度为90°，阻抗为47.5Ω的传输线即可。设计参数计算：5.5nH的电感可以用)2arctan(oZfL=73.913°阻抗为50Ω的短路线来代替。利用软件TXLINE算得设计参数（=4.2，H=1.45mm,T=0.035mm），结果如下表：传输线编号特性阻抗（Ω）电长度(角度)宽度（mm）长度（mm）TL15088.422.99527.9632TL25073.9132.99526.6567其中，TL1为源端匹配，TL2代替电感，TL3为输出匹配，电容起隔直作用。TL4，TL5直接与负载相连，长度任意。④由计算所得参数在ADS中建模为：图4.3ADS建模仿真（2）反射型介质谐振振荡器：采用反射型振荡器电路结构，电容CB起隔直作用，设计的任务为确定的大小及输出匹配电路。由课本式6.11得287jSe，S确定，为使其接近111S，取S幅角等于111S的幅角32°，16。因此S=0.87532°，SSoutSSSS112112221=-0.1786-i1.3503，所以outL1=-0.0963+i0.7278，LZ=13.31+i42.03，考虑负阻成分会减小，取LZ=13+i42.03在SmithChart上将RL匹配至LZ处：图4.4输出匹配图4.5ADS建模仿真在MATLAB中编程（程序见附录6）绘出两种振荡器out~f变化曲线：图4.6图4.75．(15分)已知通信系统的工作频率2.xxxGHz，信道带宽为20MHz，发射及接收天线增益均为15dB，接收机整机噪声系数为6dB，接收机正常工作的信噪比为12dB。若发射机功率TL347.5903.25888.0703管的输出三阶交调截点OIP3(不考虑功放前面电路对总三阶交调截点的影响)为40d