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文檔簡介
3.5.5寬頻帶放大器
123.5.5寬頻帶放大器
電路簡單噪聲特性好頻帶不寬<30%
駐波比差*無損匹配特點*寬頻帶放大器種類
并聯(lián)負反饋--低微波頻段有損匹配--簡單,效果不很好行波放大--單片集成或管芯組裝平衡式放大器--頻帶受電橋限制,駐波比小3一、并聯(lián)負反饋放大器單級負反饋漏極電感可以提升高頻柵極電感可以改善噪聲兩極負反饋4微波電路并聯(lián)負反饋特點:
負反饋相位不是180o:因為S21有相移微帶引線有分布參數(shù)效應元件尺寸有影響噪聲加大:噪聲相位、頻率隨機,帶外大部分為正反饋。適用于低頻波段:<3GHz,<5GHz(因為元件尺寸較大)
頻帶足夠?qū)?0.01--5GHz
駐波比改善5二、有損匹配電路有損并聯(lián)高通型有損串聯(lián)高通型
只能用于級間(損耗對噪聲性能影響較大)
可以壓低低頻增益改善穩(wěn)定性噪聲系數(shù)變壞有損匹配特點:(電阻是吸收損耗元件,電容是減弱高頻損耗的旁路電容。結(jié)構(gòu)簡單,易實現(xiàn),性能穩(wěn)定。)電阻電阻6三、分布式放大器(行波式放大器)
每只微波管從輸入微帶線耦合出一部分Ps進行放大
當柵線和漏線保持同速傳播時
放大后右向波疊加,左向波部分相互抵消7FET簡化等效電路
輸入線電路8FET輸入等效元件可以改成并聯(lián)輸入線等效阻抗:9
輸出線等效電路
輸出線等效阻抗:
為了提高增益可以在輸出端級聯(lián)同樣的放大器。信號沿柵極線傳播,各柵極電壓依次為:10四、平衡式放大器組成:2個單管放大器
2個3dB耦合器111.分路合路器(正交耦合器)頻帶:10%頻帶:倍頻程A.各口匹配:S11=S22=S33=S44=0B.1-4、2-3口相互隔離:S14=S41=0S23=S32=0C.鄰口輸出功率等分,相差900:12方形電橋S參數(shù):用途:(1)分功率:從1口輸入a1,(第2、3、4口匹配,a2=a3=a4=0),矩陣方程:即b2和b3等分功率,相差900.13(2)輸入口匹配:把(b)(c)代入(a)和(d),得
b1=(
2+2
)a1b4=(+)a11口反射系數(shù):
1-4口傳輸系數(shù):
即:
1口無反射,4口有反射;反射不影響功率分配。14(3)功率合成:當輸入a1和a4時當a1=ja4(a1比a4領先900),得即第3口合成輸出,第2口無輸出。輸入永遠匹配,輸出功率加倍。152.平衡式放大器兩個放大器相同,暫以其S參數(shù)[Sb]和[Sa]表示。放大器由虛線框三個四口S矩陣組成。第1只放大器:16中間虛線框是兩放大器組合:第2只放大器:再把兩個正交耦合器組合起來,推導得總矩陣:兩個放大器完全一樣時:17平衡放大器特點:(1)匹配性能好:接負載
L時S12很小,
1、2很小匹配好(當
L=0時,1=0)即使負載匹配不好(
L0),放大器輸入口的
1也很小。(2)增益同單管:
GP=|SIII|2=|S21|2
和單管放大器的相同。18(3)穩(wěn)定性好:如果|S12S21|=1,說明管子剛好自己振蕩恒為絕對穩(wěn)定。19
3.5.6微波放大器的CAD技術一、微波電路分析
(A)微波電路分解成單元元件組合電路元件的分解20(B)常用單元件的S參數(shù)
串聯(lián)阻抗
例:串聯(lián)電容
并聯(lián)導納21
傳輸線段
并聯(lián)開路微帶線
并聯(lián)短路微帶線22(C)電路的S矩陣和性能參數(shù)
信源反射系數(shù)
負載反射系數(shù)
輸入反射系數(shù)
輸出反射系數(shù)
電路增益23放大器前后皆為匹配系統(tǒng)時
輸入反射系數(shù)輸出反射系數(shù)輸入駐波比輸出駐波比電路增益24(D)靈敏度分析
增益靈敏度
噪聲靈敏度
駐波比靈敏度靈敏度直方圖定義:電路特性(T)的相對變化與電路參數(shù)(X)相對變化的比值:25二、電路優(yōu)化技術基本步驟:1.選擇微波電路的拓撲結(jié)構(gòu)和給出電路元件的初始值;2.進行電路分析;3.把分析得到的特性數(shù)據(jù)與要求的特性指標進行比較,得出誤差函數(shù);4.判斷誤差函數(shù)是否足夠??;5.整理計算結(jié)果,打印輸出。26(A)目標函數(shù)(ObjectiveFunction)(取樣)誤差函數(shù)
頻率采樣點數(shù)m
指數(shù)NormP=1線性誤差---可能產(chǎn)生超差
P=2平方誤差---最常用
P
最大-最小誤差Min-Max---可能優(yōu)化過程有起伏27
加權函數(shù)(Weight)控制優(yōu)化特性--對于要求高的頻率或元件值,取重加權
多目標的目標函數(shù)要求
min最優(yōu)化概念:改變電路元件值使目標函數(shù)趨向最小即可滿足要求,從而把電路的物理設計問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學的求極值問題。各指標互有牽制,用權函數(shù)控制達到要求。28(B)一元函數(shù)優(yōu)化--外推/插值法
外推法的過程:
*選初始值x1,步長D
計算
(x1),
(x2)=
(x1+D)*如果
(x2)<
(x1),尋查方向正確,外推。計算
(x3)=
(x2+2D)*如果
(x3)<
(x2),再外推計算
(x4)=
(x3+4D)*比較
(x3)與
(xm),舍去較大的一邊的邊沿點(如圖中x2點),其余點記xa、
xb、xc,轉(zhuǎn)入插值計算。*得到
(x4)>
(x3),說明X2
至X4之間必有極小點*計算中間點
(xm)29
為了加速找到極小點,通過
(xa)、
(xb)、
(xc)作拋物線用拋物線極小點做近似解拋物線方程:
極小點是
極小點滿足
插值法的過程:30
代入拋物線方程:式中
a、
b、
c、xa、xb、xc為已知值
解方程得k0,k1,k2,
代入極小點公式得:
比較
b和
0,舍去大的一邊的邊沿點(如圖中的xc點),保留3個點。繼續(xù)插值直至滿足誤差要求。31(C)梯度法多變量優(yōu)化(Gradient)原理:在任意點沿梯度負方向是函數(shù)值下降最快方向。
尋查方向
梯度
初始點例:同心橢圓組32
尋查變量
目標函數(shù)至此已轉(zhuǎn)化為對t的一維優(yōu)化,可按一元函數(shù)外推插值法優(yōu)化。
滿足收斂條件|(xk)|<
時停止
梯度法:最速下降、共軛梯度、擬牛頓(DFP、BFGS)
解析法求極值:33(D)直接優(yōu)化法(單純形法)定義:用直線構(gòu)成的最簡單圖形
例:二維平面函數(shù)取三點構(gòu)成單純形,比較三個頂點函數(shù)值
Xh--最大值,Xg--次大值,
XL--最小值
Xh
Xc
是函數(shù)下降方向
以Xg、XL中點Xc為基準找出反射點Xr34如果
(Xr)<(Xg),取擴展點Xe=Xh+(Xr-Xh)>1如果
(Xr)>(Xg),取壓縮點Xs=Xh+(Xr-Xh)<1
不斷用新點替換Xh、展延單純形,直到找到最小點
根據(jù)
(xr)
確定Xe或Xs是新得到的點,令其為XN,只要滿足
(XN)<(Xg),就完成了第一次尋查;第二次尋查用XN和原來較小的點Xg、XL
構(gòu)成的三角形,再進行如同第一次尋查一樣的尋查。35(E)全域隨機優(yōu)化法
電路的目標函數(shù)有多個極小點,不同初始值將優(yōu)化到不同的極小點。
解決方法:*史密斯圓圖估計初始值*隨機優(yōu)化找最小點所在域(a)隨機算法Random(蒙特-卡洛法)掃描;隨機網(wǎng)格投點;多起點聚叢;插值多項式;形心連線;隨機梯度;水平集切割;退火;遺傳法;……..36(b)遺傳算法Genetic仿生:生物遺傳過程中,染色體交換和基因突變,能產(chǎn)生不同于父本的優(yōu)良進化。例:二元函數(shù)電路(兩個變量電路)。在允許域中,隨機投置A1,A2
兩個點,(有兩個個體的生物種群)。*A1的函數(shù)值=7(適應性為1/7),*A2的函數(shù)值=5(適應性為1/5),*A2<A1(A2的適應性強)37遺傳優(yōu)化概念
多基因交換、染色體段隨機交換基因突變大種群、多個體、遠親交配,可以獲得較好結(jié)果38
對應名詞術語:
個體------變量組,是一維向量,由隨機法產(chǎn)生Ai(X1i,X2i,X3i,…Xmi)
種群------用隨機法產(chǎn)生的多個個體A1,A2,A3,…,An
個體的染色體----每個個體有不同染色體,即前述一維向量變量組(X1i,X2i,X3i,…Xmi)
染色體交換---不同染色體某一段(一個或幾個變量)依概率互換基因------一維向量中的一個元素(變量)基因突變---少數(shù)變量(依概率Pm~0.01)在取值范圍內(nèi)隨機取為另一個值39(F)中心值優(yōu)化(YieldCenteringOptimization)
NF<NF0
合格
X0點--NFmin,性能最好,成品率低
X1點--非NFmin,成品率高。目的是提高大生產(chǎn)的成品率40
目標函數(shù)合格域Ra
函數(shù)最小值點(X10,X20)
變量公差
1,2
最小值處的成品率約
30%
兩次中心值優(yōu)化后成品率接近90%41
陰影區(qū)代表公差范圍內(nèi)的成品率Rn---變量域x0
Pc(x,x
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