2.45GHz低噪聲射頻功率放大器的設(shè)計(jì).

1、目錄1 引 言 1 1.1 課題研究目的與意義 11.2 射頻功率放大器概述 11.3 射頻功率放大器的發(fā)展現(xiàn)狀 21.4 本課題的研究方法及主要工作 32 射頻功率放大器理論綜述 5.2.1 史密斯圓圖 52.2 S參數(shù)62.3 長(zhǎng)線的阻抗匹配 72.3.1 微波源的共軛匹配 72.3.2 負(fù)載的匹配 82.3.3 匹配方法 82.4 微帶線簡(jiǎn)介 82.5 偏置電路 錯(cuò). 誤！未定義書簽。3 射頻功率放大器的基本指標(biāo) 1.03.1 工作頻帶 103.2 帶寬 103.3 噪聲系數(shù) 113.4 增益 123.5 穩(wěn)定性 123.6 端口駐波比和反射損耗 134 射頻功率放大器設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化 1

2、.54.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)流程 154.2 選取晶體管并仿真晶體管參數(shù) 154.3晶體管S參數(shù)掃描 174.4 放大器的穩(wěn)定性分析 194.5 設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 214.5.1 匹配原理 214.5.2 計(jì)算輸入阻抗 234.5.3 單支節(jié)匹配電路 234.6 設(shè)計(jì)并優(yōu)化輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò) 25結(jié) 論 3.0.參考文獻(xiàn) 錯(cuò). 誤！未定義書簽。致 謝 3.2.1.1課題研究目的與意義微波和射頻工程是一個(gè)令人振奮且充滿生機(jī)的領(lǐng)域，主要由于一方面，現(xiàn)代電子器件取得了最新的發(fā)展；另一方面，目前對(duì)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像通信能力的需 求急劇增長(zhǎng)。在這一通信變革之前，微波技術(shù)幾乎是國(guó)防工業(yè)一統(tǒng)天下的領(lǐng)域， 而近來(lái)對(duì)

3、無(wú)線尋呼、移動(dòng)電話、廣播視頻、 有繩和無(wú)繩計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的通信 系統(tǒng)需求的迅速擴(kuò)大正在徹底改變工業(yè)的格局。這些系統(tǒng)正在用于各種場(chǎng)合，包 括機(jī)關(guān)團(tuán)體、生產(chǎn)制造工廠、市政基層設(shè)施，以及個(gè)人家庭等。應(yīng)用和工作環(huán)境 的多樣性伴隨著大批量生產(chǎn)，從而使微波和射頻產(chǎn)品的低成本制造能力大為提 高。這又轉(zhuǎn)而降低了大批新型的低成本無(wú)線、有線射頻和微波業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)成本， 其中包括廉價(jià)的手持GPS導(dǎo)航設(shè)備、汽車防撞雷達(dá)，以及到處有售的寬帶數(shù)字服 務(wù)入口等。通信技術(shù)在近幾年內(nèi)的發(fā)展可以說(shuō)是日新月異， 每年都會(huì)有大量的新技術(shù)誕 生并被應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中，而在這之中，無(wú)線通信技術(shù)的迅速成熟尤其引人注目。 它不僅僅改變了我們的通

4、信方式，更重要的是改變了我們的生活方式，最顯著的 表現(xiàn)就是無(wú)處不在的手機(jī)，它使人與人之間的聯(lián)系更為密切也更加方便， 使我們 的社會(huì)變得更加的緊密，大大提升了世界的一體化進(jìn)程，可以說(shuō)手機(jī)已經(jīng)成為我 們生活中不可或缺的一部分了。而隨著使用人群的快速增長(zhǎng)與不斷壯大，整個(gè)無(wú) 線通信產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入了大規(guī)模高速率的發(fā)展階段，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的比重越來(lái)越大， 推動(dòng)著社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)向前跨步，甚至于對(duì)整個(gè)社會(huì)的發(fā)展都有著不可估量的影響 力0功率放大器作為無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)中的最后一級(jí)，它在整個(gè)系統(tǒng)中占有十分重要 的地位，對(duì)于電池供電的功率放大器無(wú)線發(fā)射節(jié)點(diǎn)，對(duì)提高發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度、延長(zhǎng)系統(tǒng)使用時(shí)間、降低電源消耗、減小系統(tǒng)體積重量等

5、起著關(guān)鍵性作用。1.2射頻功率放大器概述射頻功率放大器的主要功能是放大射頻信號(hào)，并且以高效率輸出大功率為目 的。它主要應(yīng)用于各種無(wú)線電發(fā)射機(jī)中。射頻功率放大器的輸出功率范圍，可以小到便攜式發(fā)射機(jī)的毫瓦級(jí)，大到無(wú)線電廣播電臺(tái)的幾十千瓦，甚至兆瓦級(jí)。射頻信號(hào)的功率放大，其實(shí)質(zhì)是在輸入射頻信號(hào)的控制下將電源功率轉(zhuǎn)換成高頻功 率，因此除要求射頻功率放大器產(chǎn)生符合要求的高頻功率外，還應(yīng)要求具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率13射頻功率放大器的發(fā)展現(xiàn)狀射頻功率放大器由于尺寸小、線性度高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、雷達(dá)和電子戰(zhàn)以及各種工業(yè)裝備。隨著無(wú)線通信和軍事領(lǐng)域新 標(biāo)準(zhǔn)新技術(shù)的發(fā)展，日益要求提高射

6、頻功率放大器的性能，使之在更寬頻帶內(nèi)， 具有更高的輸出功率、效率和可靠性。例如為在有限的頻譜范圍內(nèi)容納更多的通 信信道，獲得較高的碼片速率和頻帶利用率?，F(xiàn)在通信系統(tǒng)均采用了QPSK等線性調(diào)制技術(shù)，這些調(diào)制方法對(duì)功放的非線性特性非常敏感，因而對(duì)放大器有更高的線性要求，提高功率放大器的可靠傳輸，以避免對(duì)鄰近信道的干擾，保證調(diào)制的窄帶特性。這就要求射頻功率放大器具有良好的線性。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G中，要求數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到 2Mbit /s，單個(gè)信號(hào)的帶寬達(dá)5MHz這就 需要射頻功率放大器具有寬帶特性； 為了降低通信運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本， 減小冷卻 成本、易于熱控制，要求提高射頻功率放大器的效率；為

7、了減小功率放大的級(jí)數(shù)， 減小功率管的使用，以更低的功率進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，降低成本，這就要求提高射頻功率放大器的增益；為了增加通信基站的覆蓋范圍，減小固定區(qū)域內(nèi)所需要設(shè)置的基 站以節(jié)約成本，同時(shí)減小電路的尺寸和重量，這就要求提高射頻功率放大器的輸 出功率。為了滿足以上各種應(yīng)用需求，近 50年來(lái)人們不斷推動(dòng)射頻功率放大器的發(fā) 展和進(jìn)步。在這50年的發(fā)展過(guò)程中，射頻器件及射頻技術(shù)的發(fā)展是推動(dòng)射頻功 率放大器發(fā)展的兩大因素。射頻器件的發(fā)展使射頻功率放大器的發(fā)展成為可能， 射頻技術(shù)的發(fā)展使射頻功率放大器的性能得到提高。1、射頻器件方面2 : 1948年Shockley.Bardeen等人發(fā)明雙極晶體管(BJT)

8、 及1952年提出結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)以后，硅雙極晶體管應(yīng)用于射頻微波領(lǐng)域， 從而可以對(duì)從幾百兆赫(UHF)到 Ka波段的信號(hào)進(jìn)行放大；70年代以后，GaAs單 晶及其外延技術(shù)獲得突破，GaAs肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GaAs MESFET研制 成功。由于GaAs材料載流子遷移率高、禁帶寬度大，從而使射頻功率放大器具 有高頻率、低噪聲和大功率等一系列優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入80年代，由于分子速外延技術(shù)和有機(jī)金屬化學(xué)沉積技術(shù)的發(fā)展，超薄外延層的厚度及雜質(zhì)濃度得以精確控制， 使異質(zhì)結(jié)器件迅速發(fā)展，由ALGaAs/GaAs或InP/lnGaAs組成的異質(zhì)結(jié)雙極晶體 管(HBT)相繼研制成功，采用這些器件設(shè)計(jì)

9、射頻功率放大晶體管，使射頻放大器 的工作頻率達(dá)到毫米波頻段；到 90年代，激增了多種新型固態(tài)器件，如高電子 遷移管(HEMT，假同晶高電子遷移管(PHEMT)異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管(HFET)和異質(zhì)結(jié) 雙極管(HBT)，同時(shí)使用了多種新材料如Inp、Sic及CaN等。這些器件能夠?qū)?00GHz乃至更高頻率的信號(hào)進(jìn)行放大，而且在多數(shù)情況下可以運(yùn)用MMIC技術(shù)。其中高電子遷移率晶體管(HEMT的低噪聲性能比場(chǎng)效應(yīng)管更優(yōu)越，運(yùn)用這種器件 設(shè)計(jì)成低噪聲放大器，在 C波段噪聲溫度可達(dá)250K左右，廣泛用于衛(wèi)星接收。 而PHEM則用一個(gè)InGaAs薄層來(lái)作為溝道材料，同時(shí)在 AIGaAs/lnGaAs異質(zhì)交 界面

10、上具有一個(gè)更大的不均勻?qū)?，使其比HEMT容納更高的電流密度和跨導(dǎo)， 從而在較寬的工作電流范圍內(nèi)保持更低噪聲系數(shù)和更高增益，這激起了人們對(duì)設(shè)計(jì)高速、高頻、低噪聲和高增益的射頻功率放大器極大興趣。與此同時(shí)，單片集 成(MMIC)微波器件也在快速發(fā)展，這是一種可以在幾平方毫米砷化稼(GaAs)基片 上集成微波放大器電路的技術(shù)。其體積小，增益高，己越來(lái)越受到用戶的青睞。2、射頻技術(shù)方面：由于DSP技術(shù)和微處理控制技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使得 我們能夠廣泛的使用各種功率放大器線性技術(shù)，如復(fù)雜的前潰技術(shù)和預(yù)失真技術(shù) 來(lái)提高放大器的效率及線性度。國(guó)內(nèi)對(duì)功率放大器線性化技術(shù)研究已經(jīng)開始重 視，東南大學(xué)、西安電子科

11、技大學(xué)、電子科技大學(xué)、浙江大學(xué)和華中科技大學(xué)等 院校己經(jīng)開始了這方面的研究，華為、中興等通信設(shè)備公司也進(jìn)行了線性功放的 研制并取得了一定的成果；功率合成技術(shù)的發(fā)展，使我們可以采用射頻固態(tài)器件 在射頻頻段輸出高達(dá)幾十千瓦的功率；寬帶技術(shù)使我們可以利用射頻固態(tài)器件對(duì) 帶寬達(dá)幾十個(gè)GHz以上的信號(hào)進(jìn)行放大如ITS Electronic 公司推出的L波段倍 頻程寬帶功放模塊提供15W的功率，同時(shí)產(chǎn)生12 GHz的瞬時(shí)帶寬和12dB的小 信號(hào)增益。此功放模塊工作于兩種狀態(tài)：A狀態(tài)為線性放大器，輸出功率為10w; B狀態(tài)典型效率為55%，輸出功率為15W。此功放輸入/輸出駐波比小于1.45， 與此同時(shí)，效

12、率增強(qiáng)技術(shù)為我們提高射頻功率放大器的效率提供了方便。功率放大器發(fā)展至今，己經(jīng)廣泛的應(yīng)用于軍用、民用通信領(lǐng)域?，F(xiàn)代通信的發(fā)展對(duì)帶寬、線性和效率等指標(biāo)提出了更高的要求。相應(yīng)的功放研究也成了未來(lái)的趨勢(shì)和熱點(diǎn)。隨著材料、計(jì)算機(jī)以及功放相關(guān)理論的進(jìn)一步發(fā)展，可以預(yù)見指標(biāo)更優(yōu)的功率放大器不久將會(huì)出現(xiàn)，并服務(wù)于無(wú)線通信領(lǐng)域。1.4本課題的研究方法及主要工作在課題期間，對(duì)射頻功率放大器的多種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究， 查閱了大量的資 料，深入了解射頻功率放大器國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和分析了射頻功率放大器有關(guān)概念，認(rèn)真學(xué)習(xí)了 ADS仿真軟件，掌握了射頻功率放大器的一般設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)了一個(gè)在2.45GHz的頻率范圍內(nèi)滿足指標(biāo)要求的應(yīng)

13、用于藍(lán)牙耳機(jī)的接收機(jī)末端的射頻功率 放大器。全文可以分為五部分。具體內(nèi)容如下：第1部分為引言。首先簡(jiǎn)要介紹課題研究目的與意義與射頻功率放大器的發(fā)展?fàn)顩r及研究趨勢(shì)，最后介紹本文的主要工作和章節(jié)安排。第2部分為射頻功率放大器理論綜述。介紹了史密斯圓圖、 S參數(shù)、阻抗匹 配、微帶線理論、偏置電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)。第3部分為射頻功率放大器的基本指標(biāo)。分析了射頻功率放大器設(shè)計(jì)需要注 意的指標(biāo)，為后面的具體設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。第4部分為具體的設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)每一部分的設(shè)計(jì)都進(jìn)行了大量細(xì)致的工作，主要包括輸入輸出最佳阻抗的獲得和匹配網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)，并對(duì)每級(jí)電路整體性能的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)給出了具體方法和步驟。第5部分為總結(jié)和研

14、究前景的展望，分析了研究中的不足和思考，提出了一 些有利于進(jìn)一步研究的問(wèn)題。2射頻功率放大器理論綜述2.1史密斯圓圖P. H. Simth開發(fā)了以保角映射原理為基礎(chǔ)的圖解。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是有可 能在同一個(gè)圖中簡(jiǎn)單直觀地顯示出傳輸線阻抗以及反射系數(shù)。反射系數(shù)(reflection coefficient): 0能用下式的復(fù)數(shù)形式表達(dá)出來(lái)：h =Zl _Z。=心十佩=|哄唱(2-1)Zl +Z。其中二l二arcta“(/仙)，Zl是電路的負(fù)載值,Z。是傳輸線的特性阻抗值,通常會(huì)使用50 Qo0.5圖2-1等電阻圓和等電抗圓圖圖2-1是史密斯圓圖中的等電阻圓和等電抗圓圖。圖中的圓形線代表電阻抗力的實(shí)

15、數(shù)值，即電阻值，中間的橫線與向上和向下散出的線則代表電阻抗力的虛 數(shù)值，即由電容或電感在高頻下所產(chǎn)生的阻力，當(dāng)中向上的是正數(shù)，向下的是負(fù)數(shù)。圖表最中間的點(diǎn)(1+j0)代表一個(gè)已匹配(matched)的電阻數(shù)值(ZL)，同時(shí)其 反射系數(shù)的值會(huì)是零。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長(zhǎng)度是1,即100%反射。有一些圖表是以導(dǎo)納值(admittanee)來(lái)表示，把上述的阻抗值版本旋轉(zhuǎn)180度即 可。根據(jù)上面介紹的等電阻圓和等電抗圓圖，能過(guò)簡(jiǎn)單有效的確定電路的阻抗， 并進(jìn)行阻抗匹配。利用史密斯圓圖可以完成以下工作：(1) 讀取阻抗、導(dǎo)納、反射系數(shù)等常用的射頻電路參數(shù)；(2) 進(jìn)行傳輸線的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；2.2

16、S參數(shù)在絕大多數(shù)涉及射頻系統(tǒng)的技術(shù)資料和數(shù)據(jù)手冊(cè)中，都用到散射參數(shù)(S參數(shù))。其原因在于實(shí)際射頻系統(tǒng)不再采用終端開路、導(dǎo)線形成短路的測(cè)量方法。 采用導(dǎo)線形成短路的時(shí)候，導(dǎo)線本身存在電感，而且其電感量在高頻下非常之大， 此外，開路情況也會(huì)在終端形成負(fù)載電容。另外，當(dāng)涉及電磁波傳播時(shí)也不希望反射系數(shù)的模等于1,在這種情況下，終端的不連續(xù)性將導(dǎo)致有害的電壓、電流 反射，并產(chǎn)生可能造成器件損壞的振蕩。S參數(shù)描述了兩端口入射功率和反射功 率之間的關(guān)系，而不是電壓和電流的關(guān)系。應(yīng)用S參數(shù)測(cè)量和校準(zhǔn)都變得容易 。描述一個(gè)系統(tǒng)被V和V2激勵(lì)，ai,則反射電壓的幅度變大(正反饋)并導(dǎo)致不穩(wěn)定的現(xiàn)象。反之，若ri

17、, 將導(dǎo)致反射電壓波的幅度變小(負(fù)反饋)。 當(dāng)放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù) 的模都小于1,即:in1, -out S12 S2121 - S22I S12 S21式中有:| 二 |=| S11S22 - S12S21 |、為穩(wěn)定性判別系數(shù)，只有當(dāng)式（3-6）中的3個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證 放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。3.6端口駐波比和反射損耗低噪聲放大器的輸入和輸出反射系數(shù)表征著輸入輸出信號(hào)的反射損耗， 通常 用輸入和輸出駐波比來(lái)表示，將低噪聲放大器看成標(biāo)準(zhǔn)兩端口網(wǎng)絡(luò)， 則輸入輸出 駐波比如下：VSW鳳1in 11 |in |VS W Ru 匸1 I 丨 o ut1 - I - 0 u t(3-8)

18、(3-9)低噪聲放大器主要指標(biāo)是噪聲系數(shù)所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來(lái)設(shè) 計(jì)的，其結(jié)果會(huì)偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會(huì)很好。此外， 由于微 波場(chǎng)效應(yīng)晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性，在輸入匹配電 路和輸出匹配電路都是無(wú)耗電抗性電路情況下， 只能采用低頻段失配的方法來(lái)壓可用插低增益，以保持帶內(nèi)增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高 般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對(duì)系統(tǒng)的影響， 損很小的隔離器等其他措施來(lái)解決11 04射頻功率放大器設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化4.1設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)流程工作頻

19、帶：2.4GHz2.5GHz帶內(nèi)增益：大于15dB;噪聲系數(shù)：小于2dB;輸入輸出駐波比：小于1.5 ;穩(wěn)定性：絕對(duì)穩(wěn)定；反向電壓增益：小于-10dB，大于-30dB;設(shè)計(jì)的默認(rèn)偏置環(huán)境是：Vce=2.7V lc=2mA ；射頻功率放大器設(shè)計(jì)的一般流程：1）晶體管的選??；2）直流偏置設(shè)計(jì)；3）穩(wěn)定性設(shè)計(jì)；4）匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì); 5）整體優(yōu)化仿真；6）版圖設(shè)計(jì)；4.2選取晶體管并仿真晶體管參數(shù)本文選取晶體管AT32011,對(duì)其參數(shù)的仿真的原理圖如下：放大器的一個(gè)基本任務(wù)是將輸入信號(hào)進(jìn)行不失真的放大，這就要求晶體管 放大器必須設(shè)置穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。另外，靜態(tài)工作點(diǎn)決定著放大器的各種性能, 如增益、噪聲

20、系數(shù)、駐波比等。這些性能參數(shù)常常相互矛盾、彼此制約，因此， 在考慮靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，通常要在各種特定指標(biāo)之間作出平衡、折中的選擇。PARAMETER SWEEPPaanSweepSweeplShitoislanceNaine2= 右bitoistanc eName麗ShitoislanceNaineSmbisiariGeNaine|8 Stari=2DuAStepl OuADC SRC1 -=-Vdc=VCEftI Robe麗DCDC1WR 區(qū) _WR1VCE=OTIBB=MEpUylemphlo tfepianpl BJT cure bac 才LDCSRC2Mc=IBBpbJ札AT32Q 廿 J

21、 9650105Q1SweepVaE,StaHJStfp=5St=D.1圖4-1晶體管工作點(diǎn)掃描的電路Amip_ 一二 一-L： 1亠!-J. 二二可w卜丁r 一IBB=1.000E-4IBB=9.000E-5IBB=8.000E-5IBB=7.000E-5IBB=6.000E-5IBB=5.000E-5IBB=4.000E-5IBB=3.000E-5IBB=2.000E-5mlVCE= 3.000IC.i=0.005IBB=0.000060VCEValues at bias point indicated by marker m1. Move marker to update.Device

22、PowerVCEConsumption, Watts3.0000.016圖4-2 BJT直流工作點(diǎn)掃描曲線由圖表可知，晶體管AT32011的靜態(tài)工作點(diǎn)為：VCE=3.000VICi=0.005IBB=0.000060sp_hp AT-32011_19950105SNP1Vce=2 7V lc=2mAwFrequencir0.10-5.10 GHz圖4-3偏置電路原理圖PmlP4 Nun-4n R1IR1.1S Mown盍 ri Hkip=1Him-P3Nim圖4-4偏置電路4.3晶體管S參數(shù)掃描Term Tennl NunMZ=5DOhm丿GPPARAMETERS-一一SParamSP1Sla

23、rt=O.-l GHzSlop=5.1 Gt 略或陽(yáng)GHzsp_ ip_M-33011 &1SB5(J105SNF1Bias 三軍 fce=Z7Vlc=an Fra uew:y=TP-10 - &1(Q GHZdsptanpi?TermTer m2Num=2Z=50OtWi圖4-5晶體管S參數(shù)掃描的電路mlfreq= 2 450GHz-15-dB(S5(1,2)=-18.82420-III 1y一i-25-30135廠401 I 1 Ii r a i10123456freq, GHz15、m12L、L、freq=2.4 dB(S(2,50GH;1)=6.5：885m20匚1 H 111911

24、1 1 1riii200123456freq, GHzfreq (100.0MHz to 5.100GHz)12 .21Sfreq (10 0.0MHz to 5.100GHz)-2-4d-6m1 free=2.45CGHzdB(S(1,1)=-6-375m1ft,-freq, GHzfreq, GHz圖4-6晶體管S參數(shù)仿真3.53 0m5 freq：2450=2.06GHz2 5nf(2)92 0m5邑1 51.0-i i 1 F 1 I 11*0123456freq, GHz圖4-7噪聲系數(shù)nf(2)曲線從曲線可以看出當(dāng)頻率在2.45GHz的時(shí)候,S(1,1)=-6.375dBS(1,2

25、)=-18.824dBS(2,1)=6.588dBS(2,2)=-5.352dBNf(2)=2.069由上述分析可以看出，晶體管參數(shù)指標(biāo)如下:（1）晶體管 sp_hp_AT32011_5_1995105勺頻率范圍為 0.1 至U 5.1GHz,滿足技術(shù)指標(biāo)；（2）通帶內(nèi)的噪聲系數(shù)滿足技術(shù)指標(biāo)；（3）通帶內(nèi)的增益不滿足技術(shù)指標(biāo)；（4）通帶內(nèi)的輸入駐波比不滿足技術(shù)指標(biāo)；（5）通帶內(nèi)的輸出駐波比不滿足技術(shù)指標(biāo)；結(jié)論如下：（1）頻率范圍和噪聲系數(shù)滿足技術(shù)指標(biāo)，可以選取晶體管；（2）通帶內(nèi)增益、輸入輸出駐波比不滿足技術(shù)指標(biāo)，需要添加輸入輸出匹 配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)該 3項(xiàng)指標(biāo)；4.4放

26、大器的穩(wěn)定性分析我們知道二端口網(wǎng)絡(luò)絕對(duì)穩(wěn)定的充分且必要條件為：K 一仁 |Si|2-|S22f：|22|Si2|S2i| S12” S21其中(4-2)K _(1&|2|S22+|Ds|) s -2 S2S21為放大器的穩(wěn)定因子，Ks越大，穩(wěn)定性越高。只有同時(shí)滿足上面三個(gè)條件 時(shí)，放大器才能保證絕對(duì)穩(wěn)定，有任何一個(gè)條件不滿足，都將是潛在不穩(wěn)定的。 對(duì)上面的三個(gè)條件作適當(dāng)?shù)淖儞Q，可得絕對(duì)穩(wěn)定判別準(zhǔn)則的另一種表達(dá)形式：Ks 12（ 4-3）Ds| Meas1StabFadl =stabjbd(S)SiabMeasI =stab_meas(S)Temi Temi2 Nun=2圖4-8仿真原理圖2.4

27、02.422.442.462.482.50freq, GHzJTC a Fb AT s0.9220.921rrn47 req=.500GHz 3tabMeas1=00 920m3I f 冷S0.9190.9180.91*0.916freq2.400GH StabMeas仁0.91?3 /-i2.402.422.442.462.482.50freq, GHzm4圖4-9 K因子圖4-10 因子由上面圖可知，K1 1,晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)4.5設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)4.5.1匹配原理在設(shè)計(jì)放大器時(shí)，一般有以下幾種原則：一是以達(dá)到最大功率增益為目標(biāo)； 二是以達(dá)到最穩(wěn)定增益為目標(biāo)；三是要達(dá)到某一確定的增益

28、值（小于最大增益）； 四是以達(dá)到最小噪聲系數(shù)為目標(biāo)。更多的時(shí)候，是要綜合考慮以上的目標(biāo)。對(duì)于低噪聲放大器，注重的是要求 放大器有極低的噪聲系數(shù)同時(shí)又能得到一定的增益，這樣就必須在噪聲和增益之 間取折中方案。所有這些設(shè)計(jì)目標(biāo)均可以按照網(wǎng)絡(luò)的 S參數(shù)導(dǎo)出相應(yīng)的公式。對(duì) 于不同的設(shè)計(jì)原則，相應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也就不一樣。 實(shí)際的應(yīng)用中三極管的 輸入共軛匹配的源反射系數(shù)（:s）和最小噪聲源反射系數(shù)（丨opt）很少一致。 因此，必須找到一種折中的輸入匹配方法來(lái)滿足最佳噪聲系數(shù)和最佳輸入反射回 損的性能。當(dāng)由一個(gè)給定的噪聲系數(shù)F=Fi來(lái)設(shè)計(jì)】s時(shí)，可以推出等噪聲系數(shù)圓 方程，其方程如下： opt1 Ni2

29、I2Ni +(1-|。pt )(1 Ni)2(4-4)圓心為optFi1 Ni(4-5)半徑為FNi2+Ni(1|op)1 + Ni(4-6)其中Ni-opt1-r(4-7)得到等噪聲系數(shù)圓后，按照要求的噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)放大器的問(wèn)題就演變?yōu)閺脑?等噪聲系數(shù)圓中確定一個(gè)合適的丨s值。利用（4 7）式可以在:s平面上畫出一 組等噪聲系數(shù)圓。當(dāng)r=0時(shí)，F(xiàn)即達(dá)其最小值Fmin，這時(shí)的丨s=】opt。畫出圖來(lái) 我們還能發(fā)現(xiàn)，通過(guò)圓圖原點(diǎn)的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù)Fo就是信號(hào)源端匹配時(shí)（ s=0）的噪聲系數(shù)，不包圍圓圖原點(diǎn)的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù)F將在下列范圍：Fmin ： F Fo，包圍圓圖原點(diǎn)的等噪聲系數(shù)

30、圓的噪聲系數(shù) F將在下列范 圍：Fmin ：F空Fo。匹配電路最核心的就是起個(gè)阻抗變換作用，把一個(gè)阻抗變換 成為另外一個(gè)需要的阻抗，從而達(dá)到匹配的效果。在我們得到最小噪聲系數(shù)的源 反射系數(shù)時(shí)，就可以來(lái)設(shè)計(jì)輸入匹配電路了。根據(jù)反射系數(shù)與阻抗的關(guān)系和放大器的輸入阻抗：丨s =，可以算出經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)向源看去的阻抗 Zin。這樣Zs +Zo我們就可以通過(guò)阻抗變換的方法設(shè)計(jì)出需要的輸入匹配電路。利用smith圓圖和ADS軟件可以方便的實(shí)現(xiàn)丨型、T型、n型等匹配電路，其中還涉及到帶寬及頻 率響應(yīng)等問(wèn)題，篇幅有限在這里不再贅述。對(duì)于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，在多級(jí)的情況下，為了達(dá)到更高的功率增益，其輸出匹配采用共軛匹配的

31、形式。通過(guò)器件手冊(cè)可以得到其S參數(shù)，求出穩(wěn)定因子就可以 判斷放大器是否可以匹配。對(duì)于 Ks 1的放大器都是可以匹配的，當(dāng)Ks=1時(shí), 理論上可以進(jìn)行匹配，但實(shí)際上不可行，因?yàn)橛善浞瓷湎禂?shù)可知，這是一種純電抗性匹配，而現(xiàn)實(shí)中的元件都是有電阻性分量的。當(dāng)Ks-1時(shí)，在理論上可以匹配，但已無(wú)使用意義，因?yàn)檫@時(shí)| 1=1。當(dāng)Ks-1時(shí)，無(wú)論是理論上還是在實(shí) 際上都不能匹配成功。對(duì)于潛在不穩(wěn)定的匹配放大器而言，因?yàn)榈腒s取值較大時(shí)|I有可能大于1,所以| lI的取值將受到限制，不能隨意取值。由于我們 制作放大器已經(jīng)首先選擇了穩(wěn)定的參數(shù)，所以其總是可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙端口的匹 配，在輸入口已經(jīng)進(jìn)行了最小噪聲系數(shù)

32、的匹配，在輸出口我們可以利用下面的公式計(jì)算出輸出口的負(fù)載反射系數(shù)：2-4 C2C(4-8)其中QQQB=1S22-Sn-Ds; C 二 S221Ds（4-9）得到負(fù)載反射系數(shù)后就可以按上面的方法進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)了452計(jì)算輸入阻抗輸入阻抗數(shù)據(jù)如下freqZin12.320 GHz17.204 - j2.699E-152.330 GHz17.250 + j0.1922.340 GHz17.296 + j0.3842.350 GHz17.343 + j0.5762.360 GHz17.390 + j0.7672.370 GHz17.438 + j0.9582.380 GHz17.487 + j1

33、.1492.390 GHz17.536 + j1.3402.400 GHz17.586 + j1.5302.410 GHz17.591 + j1.7222.420 GHz17.597 + j1.9132.430 GHz17.603 + j2.1052.440 GHz17.610 + j2.2962.450 GHz17.617 + j2.4882.460 GHz17.625 + j2.6792.470 GHz17.634 + j2.8712.480 GHz17.643 + j3.0632.490 GHz17.653 + j3.2552.500 GHz17.663 + j3.4472.510 GH

34、z17.672 + j3.6002.520 GHz17.681 + j3.7542.530 GHz17.690 + j3.9082.540 GHz17.700 + j4.0612.550 GHz17.710 + j4.2152.560 GHz17.721 + j4.3692.570 GHz17.732 + j4.5232.580 GHz17.743 + j4.6772.590 GHz17.755 + j4.8312.600 GHz17.767 + j4.9862.610 GHz17.783 + j5.178圖4-11用實(shí)部和虛部表示的輸入阻抗數(shù)據(jù)由上圖可以看出，在中心頻率 2.45GHz處，輸

35、入阻抗 Zin仁17.617+j2.488453單支節(jié)匹配電路在SP模型的輸入端采用單支節(jié)匹配電路進(jìn)行匹配Port爲(wèi)6MTEETeelSi*st=BMSit)T,W 仁 1.55S nnm W2 二 1556 mmW31.558nnmEZHOMUNTL5 SdK*=TUISub1 W=1.558rmiL=4.543 mmPort P2 Nurif=2MLEFIL1L W=t558 nui_ L=8.841 itw圖4-12單支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)子電路Term TermlNmnrlZ=50GHz3n=50OhmDAJSSMateh 1unfitted? DA_SShfetEh1 SiisWSiijrJHSP Zin 血