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微波放大器设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.18M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    微波通信综合实验 实验五 微波放大器设计（Amplifier Design） 一、实验目的 1.了解射频放大器的基本原理与设计方法。 2.利用实验模块实际测量以了解放大器的特性。 3.学会使用微波软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果。 二、预习内容 1． 熟悉放大器原理等理论知识。 2．熟悉放大器设计相关理论知识。 三、实验设备 项次 设备名称 数量 备注 1 扫频信号源、示波器 1 套 亦可用标量网络分析仪 2 放大器模块 3 50Ω BNC 及 1MΩ BNC 连接线 RF2KM7-1A 1 组 4 条 4 直流电源连接线 1 条 DC-1 5 MICROWAVE 软件 1 套 微波软件 四、理论分析 一个射频晶体放大器电路可分为三大部分：二端口有源电路、输入匹配电路及输出匹 配电路，如图 4-1 所示。一般而言，二端口有源电路采用共射极（或共源极）三极管（BJT、 FET）电路，此外，还包括直流偏压电路。而输入匹配电路及输出匹配电路大多采用无源 电路，即利用电容、电感或传输线来设计电路。一般放大器电路，根据输入信号功率不同 可以分为小信号放大器、低噪声放大器及功率放大器三类。而小信号放大器依增益参数及 设计要求，可分成最大增益及固定增益两类。而就 S 参数设计而言，则可有单向设计及双 边设计两种。本单元仅就小信号放大器来说明射频放大器之基本理论及设计方法。 16
    实验五 微波放大器设计 ΓS = ΓIN* ΓL = ΓOUT * 输入 匹配电路 GS 二端口 有源电路 GO 输出 匹配电路 GL R S ' S 11  S 11  ΓS ΓIN = S’11 SS  12 21 L 1 S  22 L 图 5-1 放大器电路方框图 ΓOUT = S’22 ΓL S ' 22  S 22  R L SS  12 21 S 1 S   11 S （一） 单边放大器设计（Unilateral Amplifier Design） 所谓单边设计即是忽略有源器件 S 参数中的 S12，即是 S12=0。此时可得： ΓIN = S11 及 ΓOUT = S22 则放大器之单边转换增益(Unilateral Transducer Gain,GTU)为： G  TU GGG LOS 其中 G S  2 1  S 1 S   11 S 2 G O  S 21 2 G L  假若电路又符合下列匹配条件： ΓS = S11* 及 ΓL = S22* 2 1  L 1 S   L 22 2 则 可 得 到 此 放 大 器 电 路 之 最 大 单 边 转 换 增 益 (Maximum Unilaterla Transducer Gain,GTU,max)： GTU , max  1 S 11 1   S 21 2 2  1 S 2 22 1  （二） 双边放大器设计(Bilateral Amplifier Dseign) 双边设计即是考虑有源器件 S 参数中的 S12，即是 S12≠0。此时可得： SS  12 21 S 1 S   11 S SS  12 21 L 1 S  22 L  IN  OUT S ' 22 及  ' S 11  S 11    S 22 若利用最大增益匹配法（亦称共轭阻抗匹配法），则可得 ΓS =ΓIN* 及 ΓL =ΓOUT* 经过推导可利用下列公式计算出最佳输入反射系数ΓSm 和最佳输出反射系数 ΓLm ： C 1     Sm B 1  2 B 1 4  C 1 2 2  C 1 2   C 2    ，  Lm B 2  B 2 2 4  C 2 2 2  C 2 2   其中 17
    微波通信综合实验 2 1 B  1 1 B  S C  1 11 C S  2 22 SS  11 S 22 S 22 2 2 2 2   2 2  S 11 S  11 S  22 S  11 SS  12 22 21 （三） 单边设计评价因子（Unilateral Figure of Merit , M） 在判断有源元件是否适用单边设计时，主要看它的评价因子是否够小。一般而言，当 M 值小于 0.03 或-15dB 时即可采用单边设计。 其计算公式如下： 最大增益误差比则为： M  S 12 1(   S 11 S S  11 21 2 1()  S  22 2 S 22 ) 1 M 2 )  G 1(  G T TU , max  1 M 2 ) 1(  其中 GT 是有源元件的转换增益(Transducer Gain) 2 G T  1( S 11 1(   S 1)(  S )  2 S  S 22 1(  21 L ) SS  12 L 2 )  L S 21 2 （四） 放大器的稳定条件（Stability Criteria） （1） 无条件稳定 Unconditionally stable） 一个良好的放大器设计电路除考虑增益和输出入匹配外，还需要考虑放大器在工件频 段中是否为无条件稳定，以避免电路产生振荡。如图 5-2（a）所示: 对于一个放大器电路而言，其有源器件在ΓS=0 及ΓL=0 情况下，无条件稳定的充要条 件为 其中 K 称为稳定因子（stability factor） K > 1 ， |S11| < 1 且 |S22| < 1 1  K  2 S 11 2  2 2  S  22 SS 12 21 （2）条件稳定（Conditionally stable） 当有源器件不符合上述无条件稳定的三大规定时，即称为条件稳定。在此情况下，在 输入端平面及输出端平面，必存一些不稳定区域，如图 5-2（b）所示: 18
    实验五 微波放大器设计 cS rS cL rL | |cS| - rS | < 1 | S11 | < 1 | |cL| - rL| < 1 | S22 | < 1 稳定区域 (斜线区) 图 5-2 条件稳定圆示意图 而在设计输出入匹配电路时，务必避免使用这些区域，以免造成放大器电路自激。 其对应无条件稳定的条件为 ||cS| - rS| > 1，|S11|< 1 且 ||cL| - rL| > 1，|S22|< 1 而条件稳定则是 ||cS| - rS| < 1，|S11|< 1 或 ||cL| - rL| < 1，|S22|< 1 （A）输出稳定圆（Load Stability Circle）：  L SS 12 2 21  2 22 c  L r L ； 圆心 cL  C 2 2  2 S 22 半径 rL  S （B）输入稳定圆（ Source Stability Circle）： c  s r s  S SS 12 2 21  S 11 半径 rs  ； 圆心 2 cs  C 1 2  2 S 11 (五) 设计步骤： 步骤一：设定放大器工件频率(f0)与输出入阻抗(RS , RL)。一般射频放大器的输出入 阻抗设定为 50Ω。 步骤二：根据电源选用晶体三极管，同时设定三极管的偏压条件(VCE,IC)，决定出在该 条件下的三极管的 S 参数(S11,S21, 12,S22)，并设计适用它的偏压电路。 步骤三：将步骤二所获得的 S 参数代入上述公式计算出下列设计参数。 稳定因子，K 单边设计评价因子，M 19
    微波通信综合实验 最大单边转换增益，GTU,max 输入稳定圆的圆心，CS 及半径，rS 输出稳定圆的圆心，CL 及半径，rL 最佳输入反射系数 ΓSm 最佳输出反射系数 ΓLm 步骤四：检查 K 值是否小于 1。若 K 值大于 1，则为无条件稳定可进行下一步骤。若 小于，则须将输出入稳定圆标示于单位圆的史密斯圆图上，以便在设计输出入匹配电路时， 避免使用到不稳定区域（如图 5-2(b)）所示。 步骤五：检查 M 值是否够小。 （1）若 M 值接近 0.03(-15dB)则适用单边设计，可得 ΓS = S11* 及 ΓL = S22* 最大增益即为 GTU,max （2）若 M 值大于 0.03(-15dB)则须用双边设计，可得 ΓS =ΓSm 及 ΓL =ΓLm 最大增益即为 GT,max 步骤六：利用步骤五所得ΓS 及ΓL 设计输出入匹配电路 五、硬件测量 1、 对 LNA,MMIC 放大器的 S11 及 S21 测量以了解 MMIC 放大电路的特性。对 LNA,BJT 放大 器的 S11 及 S21 测量以了解射频 BJT 放大电路的特性。 2、 准备电脑，测量软件，扫频仪、同轴检波器、示波器、相关模块，若干小器件等。 3、 测量步骤： 一、用标量网络分析仪的测量方法： ⑴ LNA 的 P1 端子的 S11 测量：设定频段：BAND-4；用 DC-1 连接线将后面 12VDC 输 出端子连接起来；对模块 P1 端子做 S11 测量，并将测量结果记录于表（9-1）中。 ⑵ LNA 的 P1 及 P2 端子的 S21 测量:设定频段: BAND-4；对模块 P1 及 P2 端子做 S21 测量，并将测量结果记录于表(9-2)中。 20
    实验五 微波放大器设计 ⑶ LNA 的 P3 端子的 S11 测量：设定频段：BAND-4；对模块 P3 端子做 S11 测量，并 将测量结果记录于表（9-3）中。 ⑷ LNA 的 P3 及 P4 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-4；对模块 P3 及 P4 端子做 S21 测量，并将测量结果记录于表（9-4）中。 4、实验记录表 9-1、9-2、9-3、9-4 均为以下此表: 二、用扫频仪、同轴检波器、示波器、相关模块的测量方法： 微波 扫频仪 待测滤 波器 21 微波同 轴检波 示波器
    微波通信综合实验 ⑴ 将示波器打到 X-Y 挡，扫频仪扫瞄输出接示波器的 X 输入作为水平频率线。 ⑵将扫频仪射频输出接 LNA，中心频率为 2600MHz，滤波器输出接微波同轴检波器， 然后接到示波器 Y 轴挡。将扫频仪扫瞄带宽打到 200MHz，带通滤波器带宽为 20MHz，用扫频仪 Maker 频标观查测量带内波动。注意扫频仪输出打到－30dBm。 ⑶带内增益的测量，去掉 LNA，直接将扫频仪输出接微波同轴检波器，到示波器观查 前后两种情况下的电平差别，再调节扫频仪输出使两种情况示波器指示相同，记 下两次的电平差，可测出带内增益分贝数。 ⑷其它指标测量方法同前。 六、软件仿真 1． 进入微波软件 MICROWAVE。 2． 在原理图上设计好相应的电路，设置好 P1,P2,P3,P4 端口，完成频率设置、尺寸 规范、器件的加载、仿真图型等等的设置。 3． 最后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形。 4． 电路图(推荐以下)，接着是相应的仿真图。 图 5-3 模拟结果 22
    七、实例分析 试利用 ATF-35143 设计一 2000MHz 放大器。其中电源为 5VDC，输出入阻抗为 50Ω。 实验五 微波放大器设计 ATF-35143 的 S 参表(VCS=2V，IDS=10mA，Zo=50Ω，TA=25℃)如下列： Freqency S12 S11 S21 (GHz) 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.5 2.0 Mag. 0.49 0.48 0.48 0.47 0.47 0.47 0.44 0.41 Ang. -153 -159 -163 -167 -170 -171 177 163 ATF-35143 技术参数 1.9GHz；2V，15Ma Mag. 12.7 10.7 9.3 8.2 7.3 6.6 4.9 3.4 Ang. 98 94 90 87 85 82 71 61 Mag. 0.030 0.034 0.037 0.040 0.044 0.047 0.065 0.083 Ang. 50 52 53 55 56 57 59 58 dBP 0.4dB 噪声系数，18dB 增益 1  11 dBm 低相位噪声 S22 Ang. -35 -35 -35 -36 -37 -38 -42 -45 Mag. 0.42 0.39 0.38 0.37 0.36 0.37 0.40 0.42 INPUT 2 FET1 ATF-35143 1 C3 1000P C4 1000P R2 51 3 R2 51 C1 100P C4 8.2P L1 3.9nH R1 50 C12 1000P L4 47nH R3 12 VDD C6 8.2P C7 10000P 2 FET2 ATF-35143 1 C3 1000P C4 1000P R2 51 3 R2 51 C1 100P C4 8.2P L1 3.9nH R1 50 C12 1000P OUTPUT L4 47nH R3 12 C6 8.2P C7 10000P VDD 23
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