微波通信微波放大器的設(shè)計講解

.PAGE..---可修編.微波通信課程設(shè)計說明書微波低噪聲放大器的設(shè)計起止日期：年月日至年月日學(xué)生班級學(xué)號成績指導(dǎo)教師(簽字)年月日..課題名稱微波放大器的設(shè)計人數(shù)組長同組人員課題的主要容和要求一、設(shè)計目的1.了解射頻放大器的根本原理與設(shè)計方法。2.利用實驗?zāi)＝M實際測量以了解放大器的特性。3.學(xué)會使用微波軟件對射頻放大器的設(shè)計和仿真，并分析結(jié)果。二、設(shè)計任務(wù)主要容：1、了解射頻放大器的根本原理與設(shè)計方法。2、利用實驗?zāi)＝M實際測量以了解放大器的特性。3、學(xué)會使用微波軟件對射頻放大器的設(shè)計和仿真，并分析結(jié)果。主要任務(wù)：1、雙邊放大器設(shè)計。2、單邊放大器設(shè)計。3、單邊設(shè)計評價因子。4、放大器的穩(wěn)定條件。三、設(shè)計工作量2周完成具體任務(wù)1、了解射頻放大器的根本原理與設(shè)計方法。2、利用實驗?zāi)＝M實際測量以了解放大器的特性。3、學(xué)會使用微波軟件對射頻放大器的設(shè)計和仿真，并分析結(jié)果。時間安排與完成情況..目錄一、設(shè)計原理1二、設(shè)計設(shè)備4三、設(shè)計步驟4四、設(shè)計結(jié)果及分析5五、軟件仿真7六、總結(jié)體會13..微波放大器的設(shè)計設(shè)計原理一個射頻晶體放大器電路可分為三大局部：二端口有源電路、輸入匹配電路及輸出匹配電路，如圖1所示。一般而言，二端口有源電路采用共射極〔或共源極〕三極管〔BJT、FET〕電路，此外，還包括直流偏壓電路。而輸入匹配電路及輸出匹配電路大多采用無源電路，即利用電容、電感或傳輸線來設(shè)計電路。一般放大器電路，根據(jù)輸入信號功率不同可以分為小信號放大器、低噪聲放大器及功率放大器三類。而小信號放大器依增益參數(shù)及設(shè)計要求，可分成最大增益及固定增益兩類。而就S參數(shù)設(shè)計而言，那么可有單向設(shè)計及雙邊設(shè)計兩種。本單元僅就小信號放大器來說明射頻放大器之根本理論及設(shè)計方法。ΓLΓL=ΓOUT*二端口有源電路輸出匹配電路輸入匹配電路ΓSΓIN=S’11ΓLGOΓS=ΓIN*GSGLΓOUT=S’22RSRL圖1放大器電路方框圖圖1放大器電路方框圖1.單邊放大器設(shè)計〔UnilateralAmplifierDesign〕所謂單邊設(shè)計即是忽略有源器件S參數(shù)中的S12，即是S12=0。此時可得：ΓIN=S11及ΓOUT=S22那么放大器之單邊轉(zhuǎn)換增益(UnilateralTransducerGain,GTU)為：其中假假設(shè)電路又符合以下匹配條件：ΓS=S11*及ΓL=S22*那么可得到此放大器電路之最大單邊轉(zhuǎn)換增益(MaximumUnilaterlaTransducerGain,GTU,max)：2.雙邊放大器設(shè)計(BilateralAmplifierDseign)雙邊設(shè)計即是考慮有源器件S參數(shù)中的S12，即是S12≠0。此時可得：及假設(shè)利用最大增益匹配法〔亦稱共軛阻抗匹配法〕，那么可得ΓS=ΓIN*及ΓL=ΓOUT*經(jīng)過推導(dǎo)可利用以下公式計算出最正確輸入反射系數(shù)ΓSm和最正確輸出反射系數(shù)ΓLm：，其中3.單邊設(shè)計評價因子〔UnilateralFigureofMerit,M〕在判斷有源元件是否適用單邊設(shè)計時，主要看它的評價因子是否夠小。一般而言，當(dāng)M值小于0.03或-15dB時即可采用單邊設(shè)計。其計算公式如下：最大增益誤差比那么為：其中GT是有源元件的轉(zhuǎn)換增益(TransducerGain)4.放大器的穩(wěn)定條件〔StabilityCriteria〕〔1〕無條件穩(wěn)定Unconditionallystable〕一個良好的放大器設(shè)計電路除考慮增益和輸出入匹配外，還需要考慮放大器在工件頻段中是否為無條件穩(wěn)定，以防止電路產(chǎn)生振蕩。如圖11-2所示:對于一個放大器電路而言，其有源器件在ΓS=0及ΓL=0情況下，無條件穩(wěn)定的充要條件為K>1，|S11|<1且|S22|<1其中K稱為穩(wěn)定因子〔stabilityfactor〕〔2〕條件穩(wěn)定〔Conditionallystable〕當(dāng)有源器件不符合上述無條件穩(wěn)定的三大規(guī)定時，即稱為條件穩(wěn)定。在此情況下，在輸入端平面及輸出端平面，必存一些不穩(wěn)定區(qū)域，如圖2所示:||cS|-r||cS|-rS|<1|S11|<1||cL|-rL|<1|S22|<1cLrLrScS穩(wěn)定區(qū)域(斜線區(qū))圖2條件穩(wěn)定圓示意圖圖2條件穩(wěn)定圓示意圖而在設(shè)計輸出入匹配電路時，務(wù)必防止使用這些區(qū)域，以免造成放大器電路自激。其對應(yīng)無條件穩(wěn)定的條件為||cS|-rS|>1，|S11|<1且||cL|-rL|>1，|S22|<1而條件穩(wěn)定那么是||cS|-rS|<1，|S11|<1或||cL|-rL|<1，|S22|<1〔A〕輸出穩(wěn)定圓〔LoadStabilityCircle〕：半徑；圓心〔B〕輸入穩(wěn)定圓〔 SourceStabilityCircle〕：半徑；圓心二、設(shè)計設(shè)備項次設(shè)備名稱數(shù)量備注1掃頻信號源、示波器1套亦可用標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀2放大器模組1組RF2KM7-1A350ΩBNC及1MΩBNC連接線4條4直流電源連接線1條DC-15MICROWAVE軟件1套微波軟件設(shè)計步驟步驟一：設(shè)定放大器工件頻率(f0)與輸出入阻抗(RS,RL)。一般射頻放大器的輸出入阻抗設(shè)定為50Ω。步驟二：根據(jù)電源選用晶體三極管，同時設(shè)定三極管的偏壓條件(VCE,IC)，決定出在該條件下的三極管的S參數(shù)(S11,S21,12,S22)，并設(shè)計適用它的偏壓電路。步驟三：將步驟二所獲得的S參數(shù)代入上述公式計算出以下設(shè)計參數(shù)：穩(wěn)定因子，K單邊設(shè)計評價因子，M最大單邊轉(zhuǎn)換增益，GTU,max輸入穩(wěn)定圓的圓心，CS及半徑，rS輸出穩(wěn)定圓的圓心，CL及半徑，rL最正確輸入反射系數(shù)ΓSm最正確輸出反射系數(shù)ΓLm步驟四：檢查K值是否小于1。假設(shè)K值大于1，那么為無條件穩(wěn)定可進(jìn)展下一步驟。假設(shè)小于，那么須將輸出入穩(wěn)定圓標(biāo)示于單位圓的史密斯圓圖上，以便在設(shè)計輸出入匹配電路時，防止使用到不穩(wěn)定區(qū)域〔如圖11-2〕所示。步驟五：檢查M值是否夠小?！?〕假設(shè)M值接近0.03(-15dB)那么適用單邊設(shè)計，可得ΓS=S11*及ΓL=S22*最大增益即為GTU,max〔2〕假設(shè)M值大于0.03(-15dB)那么須用雙邊設(shè)計，可得ΓS=ΓSm及ΓL=ΓLm最大增益即為GT,max步驟六：利用步驟五所得ΓS及ΓL設(shè)計輸出入匹配電路。設(shè)計結(jié)果及分析利用ATF-35143設(shè)計一2000MHz放大器。其中電源為5VDC，輸出入阻抗為50Ω。ATF-35143的S參表(VCS=2V，IDS=10mA，Zo=50Ω，TA=25℃)如下表：Freqency(GHz)S11S21S12S22Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.0.50.49-15312.7980.030500.42-350.60.48-15910.7940.034520.39-350.70.48-1639.3900.037530.38-350.80.47-1678.2870.040550.37-360.90.47-1707.3850.044560.36-371.00.47-1716.6820.047570.37-381.50.441774.9710.065590.40-422.00.411633.4610.083580.42-45ATF-35143ElectricalSpecificationsTA=25°C,RFparametersmeasuredinatestcircuitforatypicaldeviceSymbolSaturatedDrainCurrentUnitsMin.Typ.MaxIdssPinchoffVoltageVDS=1.5V,VGS=0VmA406580VPQuiescentBiasCurrentVDS=1.5V,Ids=10%IdssV-1-0.5-0.4IdTransconductanceVGS=0.45V,VDS=2VmA15gmGatetoDrainCurrentVDS=1.5V,gm=Idss/VPmmho90120IGDOGateLeakageCurrentVGD=5VμA250IgssVGD=VGS=-4VmA10150NFNoiseFigure[3]f=2GHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB0.40.5f=900MHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB0.30.4GaAssociatedGain[3]f=2GHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB16.514181619.518f=900MHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB2018OIP3Output3rdOrderInterceptPointf=2GHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB2114f=900MHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB1914P1dB1dBpressedInterceptPointf=2GHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB108f=900MHzVDS=2V,IDS=15mAVDS=2V,IDS=5mAdB99設(shè)計結(jié)果分析：經(jīng)公式計算結(jié)果，有源器件的K值在工件頻率上大于1，為無條件穩(wěn)定。此結(jié)果也可由輸出輸入穩(wěn)定圓來驗證。輸入穩(wěn)定圓的圓心距離大小|cS|=2.675，大于其半徑大小rS=1.644，輸出穩(wěn)定圓的圓心距離大小|cL|=4.123，也大于其半徑大小rL=3.085，故可證得為無條件穩(wěn)定。而計算所得單邊設(shè)計評價因子M=0.08>0.03，所以不可以用單邊設(shè)計，而須采用雙邊設(shè)計。經(jīng)雙邊設(shè)計計算公式，可得：最正確輸入反射系數(shù)ΓSm=0.821⊿172.6o最正確輸出反射系數(shù)ΓLm=0.787⊿41.2o最大轉(zhuǎn)換增益GTmax=20.821dB。本例中最正確輸入反射系數(shù)和最正確輸出反射系數(shù)經(jīng)匹配F0，再參加偏壓電路后，可得該放大器電路及模擬結(jié)果。五、軟件仿真1、進(jìn)入微波軟件MICROWAVE。2、在原理圖上設(shè)計好相應(yīng)的電路，設(shè)置好P1,P2,P3,P4端口，完成頻率設(shè)置、尺寸規(guī)、器件的加載、仿真圖型等等的設(shè)置。3、最后進(jìn)展仿真，結(jié)果應(yīng)接近實際測量所得到的仿真圖形。4、電路圖，接著是相應(yīng)的仿真圖。圖3模擬結(jié)果仿真過程：使用AnsoftDesignerSV第一步：建立電路圖〔工程→插入電路設(shè)計→空白〕第二步：添加襯底信息〔電路→參加模型數(shù)據(jù)→參加襯底定義〕電介質(zhì)金屬化材料電阻厚度單位H:20milEr:3.38TAND:0.0021(2.4GHz)銅1.724140.669mil(千分之一英寸)第三步：添加BFP540〔畫圖→N－節(jié)點〕第四步：設(shè)定仿真頻率圍〔電路→添加分析設(shè)置〕第五步：執(zhí)行仿真〔電路→分析〕第六步：確定仿真結(jié)果〔電路→報告〕第七步：穩(wěn)定性校驗〔電路→史密斯工具〕第八步：穩(wěn)定性：在晶體管輸出端口連接平行電阻器第九步：執(zhí)行仿真〔電路→分析〕第十步：穩(wěn)定性校驗〔電路→史密斯工具〕第十一步：選擇功率反射系數(shù)〔電路→史密斯工具〕：Ga=11.8dB,NF=1.33Circle第十二步：設(shè)計輸入匹配電路〔電路→史密斯工具→匹配符〕第十三步：確定負(fù)載反射系數(shù)第十四步：設(shè)計輸出匹配電路〔電路→史密斯工具→匹配符〕第十五步：完成電路第十六步：執(zhí)行仿真〔電路→分析〕第十七步：確定仿真結(jié)果〔電路→報告〕最終仿真結(jié)果增益11.93dBNF〔噪聲系數(shù)〕1.53dB輸入回波損耗12.6dB輸出回波損耗18.6dB4、布局圖六、總結(jié)體會這次課程設(shè)計，總體來說讓我懂得很多知識，受益匪淺。首先動手實踐比理論課更具趣味性，同時更具挑戰(zhàn)性。再者讓我對"實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)〞這句話又有了進(jìn)一步的理解。理論是實踐的根底，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，不懂理論進(jìn)展實驗對我們學(xué)習(xí)是沒有作用的。本次課程設(shè)計，我進(jìn)一步理解了課堂上教師所講的知識，同時學(xué)到了一些書本以外的知識。此外，我發(fā)現(xiàn)理論知識也非常重要，首先要了解熟悉微波低噪聲放大器原理和微波低噪聲放大器設(shè)計相關(guān)理論知識。然后了解射頻放大器的根本原理與