射频-低噪放实验

实验名称：低噪声放大器(LNA)一、实验目的（1）深入理解低噪声放大器（LNA）的工作原理、功能、作用和性能指标。（2）学习使用频谱分析仪的工作原理和使用方法。（3）掌握低噪声放大器性能指标的的测试方法。二、实验仪器1、数字示波器TDS2100~60MHz1台2、频谱分析仪GSP-8270~2.7GHz1台3、直流稳压电源SS33230~30V1台4、实验电路板自制1块三、实验电路分析低噪声放大器放大器电路如下两页图所示，电路板上包含两个放大器：一个单级低噪声放大器和一个两级低噪声放大器。1.匹配电路输入匹配电路的类型可以分为共轭匹配和噪声匹配两种。共轭匹配是将源的反射系数通过阻抗匹配网络变换成放大器S11的共轭。由放大器单向化功率增益的计算式可知，在这种匹配下，放大器可以达到最大的单向化功率增益。而噪声匹配是将源反射系数通过阻抗变换网络变换成一个能使晶体管达到最佳噪声性能的反射系数opt。由于微波晶体管的噪声匹配和共轭匹配点相差较远，不能同时达到，因此需要在两者之间做合理的折衷。在输入匹配点的选择上可以侧重于噪声匹配，并调整匹配网络（主要是输入匹配网络）的元件参数，使噪声系数尽量小。放大器的输入匹配电路应当采用高通阻抗匹配网络，通过高通匹配网络限制放大器在较低频段的增益。以两级放大器为例，输入端高通阻抗匹配网络由一个串联电容C21和两个并联电感L21、L22组成。另外，C21还起到隔直流电容的作用，两级放大器的静态工作点互不影响。L22另一个作用是对场效应管的栅极加偏置电压。这里使用电感射频通信电路--低噪放实验2的作用是使得直流偏置电压几乎无损失的通过给管子提供偏置电压，而对于将要放大的射频信号来说，电感的阻抗非常大以至于射频信号几乎不能通过，从而达到了隔离交流和直流通路的目的。为了在射频通路上使L21、L22、C21形成型的匹配网络，L22还需要一个高频旁路电容即C22。多级放大器的级间匹配电路的主要目的是为了尽可能减小传输中的信号功率损失。因此第一级的输出和第二级的输入均需要匹配到50欧姆。输出匹配的目的是为达到最佳的输出反射损耗和最大增益。输出阻抗匹配网络采用型高通结构，由串联电容C36和并联电感L33、L34组成。L23同时作为馈电用电感为管子的漏极提供偏置电压。2.稳定性设计在源极和地之间增加感性的串联反馈可以对输入反射损耗和低频稳定性起有利的作用。加入源极电感性反馈后，低频的稳定性显著提高，同时输入截断点也增高。源极的感性反馈通常是由一段从源极引脚到地的微带线构成的，如图中LL21、LL22、LL31、LL32所示，通过合适的选择微带线的长度可以有效的控制源极感性反馈的大小。为了提高放大器的稳定性，通常还可以在其不稳定的端口增加一个串联或并联的电阻。因此可以在级间加入型的阻性3dB衰减网络。这种衰减网络的特点是，由三个电阻（R26、R27、R28）连接成“”的形状，从其输入端口或输出端口看进去，阻抗都是50欧姆，通过网络的信号强度会衰减3dB。加入衰减网络的另一个好处是能减小级间匹配的难度。射频通信电路--低噪放实验3四、实验原理及步骤L16.8pHC13.3pFC28.2pFC30.01uL23.9nHL32.2nHC63.9pFC48.2pFC50.01uR3300R41.2KR530R150R210KS11G2S23D4Q1ATF-54143R6300R718R8300C8104C7104C1022uFC9330uFVin1GND2Vout3U1LM7805VCCVCCJpowJoutJinC11104D14007L216.8pHC213.3pFC228.2pFC230.01uL223.9nHL232.2nHC263.9pFC248.2pFC250.01uR23300R241.2KR2530R2150R2210KS11G2S23D4Q21ATF-54143R26300R2718R28300VCCJout_2Jin_2C313.9pFC328.2pFC330.01uL323.9nHL333.9nHC362pFC348.2pFC350.01uR33300R341.2KR3533R3150R3210KS11G2S23D4Q31ATF-54143VCCL3410nH射频通信电路--低噪放实验41、阻抗匹配测量测试说明：在设计低噪声放大器时须着重于输入匹配网络的设计，以便求得有较低的噪声系数及较佳的输入返回损耗，因此设计低噪声放大器之首要重点为同时对最佳信号源反射系数(Γopt)与S11取得匹配，亦即希望Γopt与S11能取得共轭。然而对于一只晶体管在一偏压条件下，其Γopt与S11不见得皆可获得共轭，因此在电路设计上我们可以使用共射极电感串联反馈电路架构。射频电路的阻抗匹配测量和低频电路的阻抗测量完全不同，低频电路一般是通过测量输入回路中的电压、电流来求得输入阻抗，而射频电路是通过测量反射信号的大小来衡量阻抗匹配情况，一般是测开路时的全反射信号电平和接通负载时的反射信号电平之比，即反射损耗，反射损耗越大说明阻抗越匹配。用频谱分析仪测量输入阻抗匹配情况时需要一个返回损失桥（Bridge）配合工作，返回损失桥的作用是将跟踪信号发生器TG（频谱分析仪自带的）输出的正向传输信号和由放大器反射的反向传输信号分离开，由同轴电缆将反射信号送到频谱分析仪测量电平的大小。测量时应先将开路时的全反射信号校准到一个合适的电平值，校准的过程实际上测量和记录了全反射信号的大小以及返回损失桥、电缆、接头的误差，当接入放大器后的反射信号幅度会由仪器利用已有记录自动修正返回损失桥、电缆、接头的影响，提高测量精度。测量步骤如下：（1）电路连接。依下图所示将频谱分析仪架设好；将Bridge的射频信号输入端口接至频谱分析仪之TG输出端；将Bridge之反射信号输出端口利用RFCable连接至频谱分析仪之RF输入端。（2）将频谱分析仪的中心频率、测量范围、分辨率频宽(RBW)依下图分别设定为1.95GHz、100MHz、3kHz。1.95GHz100MHZFrequencyRBW(Manu)SpanSpanRBCenter3kHz射频通信电路--低噪放实验5（3）频谱分析仪的校准。将连接于Bridge之RF输出端的RFCable开路，然后依下图所示之按键步骤启动频谱分析之TG(TrackingGenerator)功能（在OPTION中），校正频谱分析仪。注意：TG输出信号的幅度可以改变，但在该实验中，放大器允许的输入信号幅度比较小，信号太大时容易损坏，请不要超过-20dBm。（4）测量。在被测放大器的输出端接上负载终端，将连接于Bridge的RF输出端的RFCable接于被测电路的输入端来量测其输入返回损耗，记录图形。判读对应1.92GHz、1.95GHz、1.98GHz频率点的反射损耗。(5)用同样方法测量两级放大器。2、放大器增益与频率特性测量测试说明：频谱分析仪中内置了一个跟踪信号发生器，该信号发生器的输出幅度经设定后保持不变，频率则由start频率线性的变到stop频率，测量时该信号被加到放大器的输入端，放大器的输出信号接到频谱分析仪的输入端测量幅度，仪器自动记录每个频点的幅度并换算成增益在屏幕上显示出来即为幅频特性曲线。但在接入放大器之前要先对跟踪信号进行校准，即先将跟踪信号的输出接到射频输入口，将跟踪信号校准到到一个合适的电平值，校准的过程实际上测量和记录了跟踪信号的大小以及返回损失桥、电缆、接头的误差，当接入放大器输出信号时，幅度会由仪器利用已有记录自动修正返回损失桥、电缆、接头的影响，提高测量精度。（1）电路连接。依下图所示将频谱分析仪架设好；将频谱分析仪的TG输出端与RF输入端分别藉由一个N-to-SMA之转接头接上一条RFCable。OpionAmplitudeTGTGLevelREFLevelREFValueTGONTGNormalON-10dBm-20dBm-20dBm射频通信电路--低噪放实验6（2）仪器测量参数的设置。将频谱分析仪之中心频率、量测范围、与分辨率频宽(RBW)依下图所示之按键步骤将其分别设定为1.95GHz、100MHz、3kHz。（3）频谱分析仪的校准。将连接于TG的RFCable与连接于RF输入埠的RFCable串接起来，然后依下图所示之按键步骤启动频谱分析之TG(TrackingGenerator)功能，校正频谱分析仪。（4）测量。将连接于TG的RFCable接于被测电路的输入端，而连接于RF输入端的RFCable接于被测电路的输出端来测量放大器的增益和频率特性曲线，记录图形，判读对应1.92GHz、1.95GHz、1.98GHz频率点的增益。（5）用同样方法测量两级放大器五、结果分析1、阻抗匹配测量测量结果如下（具体实验结果图见附页）第一级放大器：（相对-20dbm基准）1.92GHz-20dBm反馈损耗0dBm1.95GHz-20dBm反馈损耗0dBm1.98GHz-20dBm反馈损耗0dBm第二级放大器：1.95GHz100MHZFrequencyRBW(Manu)SpanSpanRBCenter3kHzOpionAmplitudeTGTGLevelREFLevelREFValueTGONTGNormalON20dBm-20dBm-20dBm射频通信电路--低噪放实验71.92GHz-17dBm反馈损耗3dBm1.95GHz-15dBm反馈损耗5dBm1.98GHz-19dBm反馈损耗1dBm结论：本实验通关过测量分离出来的反射信号的强度来看阻抗匹配的程度，此处一级和二级放大器的反馈损耗相差无几。但是总体来说二级放大器的反馈损耗稍大一点，相对而言匹配效果好一点。2、放大器增益与频率特性测量测量结果如下（具体实验结果图见附页）第一级放大器：（相对-20dbm基准）1.92GHz10dBm1.95GHz11dBm1.98GHz12dBm第二级放大器：1.92GHz22dBm1.95GHz26dBm1.98GHz29dBm结论：一级放大器和二级放大器的测量曲线都较为平缓，变化范围不大，二级放大器较一级增益高，约呈现两倍关系。误差分析①系统误差②环境影响③读数和读图误差六、思考题（1）请说明频谱分析仪的Amplititude下的“reflevel”与TG下的”TGlevel”以及TG下的“reflevel”有何联系和区别？答：Amplititude即选择与振幅相关的功能，其下的“reflevel”是将该电平显示在最上边，使图形上下位移，显示设置的最高电平；TG即选择跟踪产生器，其中的“TGlevel”为设定的TG输出准位，“reflevel可将指定准位额处的增减值正规化。（2）请说明频谱分析仪的“RBW”与”VBW”有何区别？答：RBW是中频滤波器的3dB带宽（RBW的定义是峰值信号下降3dB，这一段的带宽值就是RBW值），设置它的大小，能决定是否能把两个相临很近的信号分开。VBW是峰值检波后滤波器带宽，主要是使测试信号更加圆滑。（3）放大器输入端的返回损耗的测量有何意义？答：该实验是通过测量反馈损耗的大小来反映阻抗匹配情况的，返回损耗越射频通信电路--低噪放实验8大，说明阻抗匹配越好。（4）放大器各频率点的增益是否相同？频带宽度是如何定义的？答：放大器各频率点的增益在整个频率上不同，但在频带内基本相同，频带宽度定义：增益下降到中心频率处下降3db时对应的上下频率之差。七、总结与体会本次实验内容较少，操作也不是很难，还初学了频谱分析仪的使用。不过试验的结果比较容易受影响，同样的实验多做几遍，每次较上次的实验结果都会有较大误差，可能是仪器太灵敏了吧。如果时间允许应该多次测量。