武大射頻期末試題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上期末試題學(xué)號(hào)：76姓名：劉弋鋒班級(jí)：1102班專業(yè)：電路與系統(tǒng)1.設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)特性阻抗為50歐姆、中心工作頻率為2.076GHz的3dB等功分耦合器，要求用集總參數(shù)及分布參數(shù)(微帶基板參數(shù)：介電常數(shù)為4.2，介質(zhì)材料厚度為1.45mm，導(dǎo)帶厚度為0.035mm)兩種形式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于分布參數(shù)形式，通過編程計(jì)算及ads仿真分別3出各端口頻率響應(yīng)特性；對(duì)于集總參數(shù)形式，通過ads仿真給出各端口頻率響應(yīng)特性。 解：（1）分布參數(shù)實(shí)現(xiàn)由于是設(shè)計(jì)3dB的等功分耦合器，所以用分支線定向耦合器實(shí)現(xiàn)。 用ADS仿真圖1.1 ADS計(jì)算特性阻抗為50時(shí)的微帶線尺寸圖1.2 ADS計(jì)算特性阻

2、抗為50/時(shí)的微帶線尺寸用ADS計(jì)算微帶線尺寸，如圖1.1、圖1.2所示?？芍?，耦合微帶線的尺寸為：特性阻抗為50時(shí),W=2.mm，L=20.mm；特性阻抗為50/時(shí)，W=4.mm，L=19.mm。搭建仿真電路，如圖1.3所示：圖1.3 ADS搭建仿真電路進(jìn)行仿真，得到插入損耗，耦合度，隔離度，駐波比VSWR的頻率特性曲線，如圖1.4所示。圖1.4 ADS仿真結(jié)果 用MATLAB編程計(jì)算給出MATLAB代碼：專心-專注-專業(yè)Z0e1=69.;Z0o1=36.;f0=2.076 ;Z0=50;f=1:0.01:4;S311=j.*(Z0e1-Z0o1).*tan(pi./2.*(f./f0)./

3、(2*50+j*(Z0e1+Z0o1).*tan(pi/2.*(f./f0) ;plot(f,20*log10(abs(S311);xlabel('Frequency(GHz)');ylabel('S31(dB)');grid;S211=2.*Z0./(Z0e1+Z0o1)./( 2.*Z0./(Z0e1+Z0o1).*cos(pi./2.*(f./f0)+j*sin(pi./2.*(f./f0);figure(2);plot(f,20*log10(abs(S211);xlabel('Frequency(GHz)');ylabel('S2

4、1(dB)');grid;figure(3)To=(Z0-Z0o1)/(Z0+Z0o1);Te=(Z0-Z0e1)/(Z0+Z0e1);Zine=Z0e1.*(sqrt(Z0o1)+j.*sqrt(Z0e1).*tan(pi/2.*(f./f0)./(sqrt(Z0e1)+j.*sqrt(Z0o1).*tan(pi/2.*(f./f0);Zino=Z0o1.*(sqrt(Z0e1)+j.*sqrt(Z0o1).*tan(pi/2.*(f./f0)./(sqrt(Z0o1)+j.*sqrt(Z0e1).*tan(pi/2.*(f./f0);V2o=Zino./(50+Zino)./(ex

5、p(-j.*pi./2.*(f./f0)+To.*exp(j.*pi./2.*(f./f0).*(1+To);V2e=Zine./(50+Zine)./(exp(-j.*pi./2.*(f./f0)+Te.*exp(j.*pi./2.*(f./f0).*(1+Te);S14=V2e-V2o;plot(f,20*log10(abs(S14);xlabel('Frequency(GHz)');ylabel('S41(dB)');grid;圖1.5、圖1.6、圖1.7分別是MATLAB仿真得到的的頻率響應(yīng)曲線。圖1.5 MATLAB仿真頻率響應(yīng)曲線圖1.6 MATLA

6、B仿真頻率響應(yīng)曲線圖1.7 MATLAB仿真頻率響應(yīng)曲線（2）集總參數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)分布參數(shù)電路進(jìn)行等效：圖1.8 分布參數(shù)與集總參數(shù)的轉(zhuǎn)化如圖1.8所示，集總參數(shù)可等效為分布參數(shù)的一個(gè)型或T型網(wǎng)絡(luò)。以型網(wǎng)絡(luò)為例，替代后的電容、電感的值可以由下面的式子計(jì)算：可見，集總參數(shù)設(shè)計(jì)主要取決于工作頻率，也就是說上述的等效只在該中心頻率兩側(cè)的較窄帶寬內(nèi)有效，但對(duì)于大部分的應(yīng)用帶寬足夠了。且型網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)表現(xiàn)出低通特性。分布參數(shù)的生成圖等效為集總參數(shù)的原理圖如圖1.9所示。圖1.9 集總參數(shù)的生成圖圖1.10 集總參數(shù)功分器仿真原理圖對(duì)于，可計(jì)算得到,。根據(jù)生成原理圖，在ADS中進(jìn)行仿真，如圖1.10所

7、示。得到如圖1.11所示仿真結(jié)果：圖1.11 集總參數(shù)功分器仿真結(jié)果由圖1.11可見，圖中S11，S12，S22,S23都有一些偏移，可以通過優(yōu)化的方式解決使各項(xiàng)指標(biāo)以中心頻率為2.076GHz的窄帶內(nèi)達(dá)到很好的仿真要求。插入損耗很小，隔離度很高，駐波比亦能滿足要求，頻率無偏差，確實(shí)呈現(xiàn)出了低通特性。2已知射頻晶體管頻率為2.076GHz時(shí)的參數(shù)為：opt=0.545，Rn=4，F(xiàn)min=1.5dB；S11=.3300，S12=0.2-600，S21=2.5-800，S22=0.2-150。先采用輸入匹配輸出不匹配方案設(shè)計(jì)噪聲系數(shù)為1.6dB、增益為8dB的放大器；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)輸入端駐波比不

8、大于1.4的放大器，要求兼顧噪聲系數(shù)及輸出端駐波比指標(biāo)。給出噪聲系數(shù)、增益及輸出端駐波比并設(shè)計(jì)出具體匹配電路。解：先設(shè)計(jì)輸入匹配輸出不匹配的電路。由題可知，平面上的功率增益為8dB的等功率增益圓和噪聲系數(shù)為1.6dB的等噪聲系數(shù)圓如圖2.1所示：圖2.1 等功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓取=0.27+j0.09，則。圖2.2 輸入端口匹配設(shè)計(jì)圖2.3 輸出端口匹配設(shè)計(jì)源匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如下：如圖2.2所示，在輸入端從50源阻抗出發(fā)，先串聯(lián)一個(gè)2.6nH的電感，再并聯(lián)一個(gè)23.3nH的電感就可以實(shí)現(xiàn)匹配。如圖2.3所示，在輸出端從50的負(fù)載出發(fā)，先串聯(lián)一個(gè)4.2nH的電感，再并聯(lián)一個(gè)193.8pF的電容就

9、可實(shí)現(xiàn)匹配。由課本第73頁(yè)的公式（5.62）可以得到，輸出端面駐波比為1.65，而輸入端是匹配的，輸入駐波比為1。圖2.4 等駐波比以及等噪聲系數(shù)圓為了改善輸出駐波比，使輸入端口失配，但保證輸入端面駐波比不大于1.4。由于要兼顧輸出端面駐波比也盡量小，故取輸入端面駐波比為臨界值即1.4，得到相應(yīng)的等輸入駐波比圓如圖2.4所示。圖2.4圓上任意都保證駐波比滿足要求，但不同，輸出駐波比,噪聲系數(shù)及增益會(huì)變化。在等駐波比圓上移動(dòng)時(shí)，輸出駐波比,噪聲系數(shù)及增益的變化如圖2.5所示。圖2.5 兼顧多指標(biāo)的放大器設(shè)計(jì)從圖2.5可以看到，隨在等駐波比圓上轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)換增益增益GT為7.88(6+1.88)dB

10、保持不變。在角度取86°時(shí)，由式(5.63)可得=0.28+j0.24,輸出駐波比最小為1.42，也很接近1.4。此時(shí)噪聲系數(shù)也接近最小，為1.51。故選擇=0.28+j0.24是合適的。圖2.6 輸入端口匹配設(shè)計(jì)圖2.7 輸出端口匹配設(shè)計(jì)根據(jù)和可設(shè)計(jì)具體匹配方案。，。如圖2.6所示，在輸入端從50源阻抗出發(fā)，先串聯(lián)一個(gè)3.8nH的電感，再并聯(lián)一個(gè)334.6pF的電容就可以實(shí)現(xiàn)匹配。如圖2.7所示，在輸出端從50的負(fù)載出發(fā)，先串聯(lián)一個(gè)4.2nH的電感，再并聯(lián)一個(gè)193.4pF的電容就可實(shí)現(xiàn)匹配。3已知5.076GHz時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管共源極的S參量為S110.97-320，S120.0549

11、0，S214.501560，S220.59-260。設(shè)計(jì)50負(fù)載的一般共柵極振蕩器及反射型介質(zhì)諧振振蕩器。介質(zhì)諧振器的參數(shù)為Q0=5000，=7。全部匹配電路采用分布參數(shù)器件(微帶基板參數(shù)：介電常數(shù)為4.2，介質(zhì)材料厚度為1.45mm，導(dǎo)帶厚度為0.035mm)，并畫出兩種振蕩器|out |隨頻率變化曲線。解：將S參量轉(zhuǎn)化為Y參量：然后將Y參量轉(zhuǎn)換到共柵極模式：，計(jì)算Rollett穩(wěn)定系數(shù)確定晶體管的穩(wěn)定性：電感取值為5.5nh時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)最小，k=-0.9997。連接電感后場(chǎng)效應(yīng)管的S參量為：S11-1.0116+j0.0537，S12-0.2065+j0.0344，S211.9931-j0

12、.303，S221.2061-j0.1742。圖3.1為輸入輸出的穩(wěn)定性判定圓，其中藍(lán)色線是輸入穩(wěn)定性判定圓，綠色線是輸出穩(wěn)定性判定圓。圖3.1 輸入輸出穩(wěn)定性判定圓若選取，振蕩器將對(duì)負(fù)載阻抗的變化十分敏感。也就是說在的條件下，負(fù)載如果稍微偏離50則會(huì)導(dǎo)致振蕩器完全停振。實(shí)際選擇非?？拷闹?。若選擇，對(duì)應(yīng)于源阻抗為：該源阻抗可用開路短截線實(shí)現(xiàn)，其電長(zhǎng)度為：為了使成立，必須選擇。但由于晶體管S參量與輸出功率有關(guān)，所選擇負(fù)載阻抗的實(shí)部可以略小于。令，利用一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)可以將45j0.64變換50。匹配網(wǎng)絡(luò)如圖3.2： 圖3.2 匹配電路計(jì)算可得傳輸線及短路短截線的電長(zhǎng)度分別為96º、45&

13、#186;。對(duì)于介電常數(shù)為4.2，介質(zhì)材料厚度為1.45mm，導(dǎo)帶厚度為0.035mm的微帶基板，傳輸線幾何尺寸的計(jì)算結(jié)果如下：傳輸線編號(hào)電長(zhǎng)度(角度)寬度（mm）長(zhǎng)度（mm）TL1882.867.95TL2742.866.68TL3452.864.06TL4962.868.67圖3.3是設(shè)計(jì)結(jié)果。圖中TL2替代了串連電感；為了安裝隔直電容，TL3被分為兩段，TL3A和TL3B；由于TL5和TL6直接與50負(fù)載相連，所以其長(zhǎng)度可為任意值。圖3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果(1)振蕩器的設(shè)計(jì)采用反射型振蕩器的電路結(jié)構(gòu)，其電路圖如圖3.4所示。電容若起隔直作用，設(shè)計(jì)的任務(wù)是確定的大小及輸出匹配電路。圖3.4 反射

14、型振蕩器電路圖為了使振蕩管的輸出反射系數(shù)盡量大，必須使盡量靠近。由諧振器等效電路的S參數(shù)：其模值已經(jīng)確定，為了接近，選擇的幅角等于的幅角。由已知條件，,于是有，即。這就是DR兩端微帶線的電長(zhǎng)度。圖3.5 用DR構(gòu)成的FET振蕩器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖3.5是用DR構(gòu)成的FET振蕩器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。下面求出設(shè)計(jì)輸出匹配電路的參數(shù)。為了使成立，必須選擇?？紤]晶體管S參量與輸出功率有關(guān)，所選擇負(fù)載阻抗的實(shí)部略小于。令。用ADS進(jìn)行設(shè)計(jì)：設(shè)置頻率為5.076GHz（自動(dòng)調(diào)整為5.08GHz），源阻抗，負(fù)載阻抗。用原件進(jìn)行匹配，匹配結(jié)果如圖3.6所示。圖3.6 ADS設(shè)計(jì)匹配電路的Smith圓圖和頻率

15、響應(yīng)曲線圖3.7 ADS設(shè)計(jì)匹配電路的原件參數(shù)圖3.7為匹配電路的原件參數(shù)，其中E表示電長(zhǎng)度，Z表示特性阻抗，F(xiàn)表示頻率。(2)隨頻率變化曲線其散射參量為：把兩端的傳輸線也包括進(jìn)來，令（一般情況下如此），散射參量為：圖3.8是由MATLAB得到的隨頻率變化的曲線。圖3.8 隨頻率變化的曲線4已知通信系統(tǒng)的工作頻率2.076GHz，信道帶寬為20MHz，發(fā)射及接收天線增益均為15dB，接收機(jī)整機(jī)噪聲系數(shù)為6dB，接收機(jī)正常工作的信噪比為12dB。若發(fā)射機(jī)功率管的輸出三階交調(diào)截點(diǎn)OIP3(不考慮功放前面電路對(duì)總?cè)A交調(diào)截點(diǎn)的影響)為40dBm，功率容量Pout,1dB為31dBm，求370C時(shí)系統(tǒng)的最大通信距離。解：如圖4.1為放大器交調(diào)失真計(jì)算示意圖：圖4.1 放大器交調(diào)失真示意圖我們知道，最遠(yuǎn)通信距離主要取決于發(fā)射功率和工作頻率，因此本題的關(guān)鍵在于找出通信距離與發(fā)射功率之間的關(guān)系。由題意可知：交調(diào)失真：若發(fā)射機(jī)發(fā)射功率為,此時(shí)的干擾信號(hào)為：從而信號(hào)從發(fā)射機(jī)出來后，有用信號(hào)功率信噪比信號(hào)經(jīng)過空間傳播衰減后到達(dá)接收機(jī)，接收機(jī)接受到的信號(hào)中有用信號(hào)功率為，噪聲功率為，其中R為傳播距離。由公式，可得，接收機(jī)的輸出信噪比為：其中，已知為12