（通信与信息系统专业论文）800mhz+cdma双向塔顶放大器的设计与实现.pdf

韭塞銮道厶堂亟主堂僮途塞虫塞翅垩 中文摘要 摘要：双向塔顶放大器能实现上下行信号覆盖范围同时增大，是为解决移动通信 系统边缘区域覆盖而设计的全新的基站延伸覆盖和网络优化设备，必然成为3 g 网 络的基本配置。 本文以8 0 0 m h zc d m a 双向塔顶放大器的实际应用为背景，研究了双向塔顶 放大器的结构与其在无线网络优化中的作用，并且重点研究了接收机的端基于 e p h e m t ( 增强模式伪形态高电子迁移率晶体管) 的低噪声放大器的设计以及双 向塔顶放大器实时数据的采集和控制系统的设计。 针对低噪声放大器实际工程中噪声、线性和匹配等性能要求，通过使用射频 电路c a d 软件先进设计系统( a d s ) 进行完整的分析与仿真，设计并实现了平衡 结构、增益可调、噪声系数低、高线性度和可靠性高的低噪声放大器。 采用自带模数转换功能的a v r 单片机实现实时数据采集和控制系统的设计， 完成了所选单片机外围硬件电路和采样电路的设计以及编程实现。为了用户直观 简便地监控系统，利用m i c r o s o f t v i s u a lb a s i c ( v b ) 工具设计了可视化控制界面， 与单片机系统通过r s 2 3 2 串口进行通信，完成了系统参数设置、实时参数显示和 报警指示功能。 关键词；双向塔顶放大器；低噪声放大器；先进设计系统；数据采集；v b 界面 分类号：t n 9 2 9 5 a b s t r a c t ：d u a lc h a n n e lb o o s t e r ne n l a r g et h ec o v e r a g er a n g eo f b o t hu p l i n ka n d d o w n l i n ks i g n a l ss i m u l t a n e o u s l y , a n di ti san e wk i n do fn e t w o r ko p t i m i z a t i o n e q u i p m e n tf o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo f m a r g i na r e ac o v e r a g eo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m i tm u s tb ea ne l e m e n t a r yc o n f i g u r a t i o no f 3 gn e t w o r k w i t ht h ep u r p o s eo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o no f8 0 0 m h zc d m ad u a lc h a n n e l b o o s t e r , t h i st h e s i se x p o u n d st h es t r u c t u r eo ft h eb o o s t e ra n di t se f f e c ti nw i r e l e s s n e t w o r ko p t i m i z a t i o n a l s o ，w ef o c u so nt h ed e s i g no fl o wn o i s ea m p l i f i e rb a s e do n e - p e m ti nt h ef o r e p a r to ft h er e c e i v e ra n dt h ed e s i g no fr e a l - t i m ei n f o r m a t i o n s a m p l i n ga n dc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fn o i s e , l i n e a r i t ya n di m p e d a n c em a t c h i n gi nt h e d e s i g np r o c e s s ，i ti su s e dt h er a d i o - f r e q u e n c yc i r c u i tc a d s o f t w a r en a m e da d v a n c e d d e s i g ns y s t e mf o rc o m p l e t ea n a l y s i s ，a n dw ed e s i g nar e l i a b l el o wn o i s ea m p l i f i e r , w h i c hh a sb a l a n c es t r u o t u r e , a d j u s t a b l eg a i n ，l o wn o i s ef i g u r ea n dh i g hl i n e a r i t y i ti su s e dt h ea v r m i c r o c h i pa t m e g u 8t od e s i g nt h er e a l - t i m ei n f o r m a t i o n s a m p l i n ga n dc o n 订o ls y s t e m ，a n dw eh a sc o m p l e t e dt h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d i n g p e r i p h e r a lc o n f i g u r a t i o na n ds a m p l i n g c i r c u i ta n dp r o g r a md e s i g n i no r d e rt om o n i t o r t h es y s t e md i r e c t l ya n ds i m p l y , i ti su s e dm i c r o s o f tv i s u a lb a s i ct o o l st od e s i g na v i s u a lc o n t r o li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i n gw i t hm i c r o c h i ps y s t e mt h r o u g hr s 一2 3 2p o r t , a n di ti m p l e m e n t st h r e ef u n c t i o n si n c l u d i n gp a r a m e t e rs e t u p ，r e a l t i m ei n f o r m a t i o n d i s p l a ya n da l a r mi n d i c a t i o n k e y w o r d s ：d u a lc h a n n e lb o o s t e r ；, l o wn o i s e a m p l i f i e r ；, a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ； i n f o r m a t i o ns a m p l i n g ；v bi n t e r f a c e c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 致谢 本论文的工作是在我的导师陶成教授的悉心指导下完成的，陶成教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年多来陶 成老师对我的关心和指导。 杜铠老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向杜铠老师表示衷心的谢意。 北京纽曼电子公司的高级工程师夏澎和尔朱光先生对于我的科研工作和论文 都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，徐芳、梅晓、李司等同学对我论文中的研究 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 研究背景 1 绪论 随着移动通信的飞速发展，第三代移动通信( 3 g ) 的商用化运作已经迫在眉 睫，毫无疑问，3 g 在国内外都拥有巨大的市场前景。结合我国在2 g 无线网络 ( g s m c d m a ) 建设和优化的经验，基于竞争考虑，需要解决的问题是要保证比 2 g 具有更高的无缝覆盖率( 特别是城市要高于9 0 ) 、更低的掉话率、更好的接 收信号质量等。因此在3 g 的网络建设过程中，我们应充分考虑到3 g 移动通信的 特点，在网络规划和优化方面提前做出更好的解决方案。 网络优化是网络规划工作的自然延续，是不断提高网络整体质量的过程，网 络优化将在充分利用现有网络资源的基础上使系统容量和覆盖最大化。对无线通 信网络进行优化而言，有三种选择： 第一，引入基站设备进行基站补点，覆盖信号盲区； 第二，增加新直放站，延伸并扩大原基站信号，以增强信号覆盖，保证通信 质量i 第三，继续采用原来的网络设备，对基站进行功率放大，以扩大覆盖范围。 理论情况下，在无遮挡区域，基站的覆盖是比较好的，但是在实际应用中， 密集的城市建筑，或者边远山区都会给基站的覆盖带来不利的影响，大大减小其 覆盖范围；而且在3 g 网络规划中要注意在覆盖、容量和质量三个因素间寻求平衡， 并且注意上下行链路负载不对称而对覆盖和容量的影响。 直放站( 中继器) 属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号 增强的一种无线电中转设备，它的基本功能就是一个射频信号功率增强器。它在 下行链路中，由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对带外的 信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域；在上 行链路中，覆盖区域内的移动台以同样的方式由上行放大链路处理后发射到相应 基站，从而达到基站与手机的信号传递。它是在不增加基站数量的前提下保证网 络覆盖，其造价远远低于有同样效果的基站系统，所以直放站是解决通信网络延 伸覆盖能力的一种优选方案，可广泛应用于难于覆盖的盲区和弱区，如商场、宾 馆、地铁、高速公路等各种场所，提高通信质量，解决掉话等问题。 基站增强器( 也叫基站延伸系统) ，它将是解决边远地区的有效覆盖手段。它 一般由基站功率放大器与塔顶放大器组成。基站功率放大器是专门为扩大现有基 站的有效覆盖范围而设计的，它就是一种安装在基站上的线性放大设备，由高功 率放大器、高性能双工器、电源及相应监控设备组成。紧靠天线的是塔顶放大器， 功能是选择和放大所接收的较弱上行链路信号，有效改善接收信号信噪比，提高 基站的灵敏度，特别是对于使用相对较长传输馈线的基站，由于馈线损耗等因素 对上行信号的信噪比恶化比较严重，通过安装塔顶放大器来有效提高上行链路信 号的信噪比，从而弥补由于馈线损耗对上行信号信噪比造成的影响。由于塔顶放 大器在通信网络中所起的关键作用，它必然成为3 g 网络中的标准配置。 收发天垅 图1 1 基站增强器覆盖示意图 f i g1 1b l o c kd i a g r a mo f b a s es t a t i o nb o o s t e r 对于上述三种方案的应用场合和优缺点，可以归结为下表。根据网络规划的 要求，我们可以在合适的地区选择合适的网络优化方式，这样才能更有效的达到 网络覆盖的目的。 方案 新增基站直放站基站增强器 优点能够有效覆盖信号盲区价格低，使用方便，可以扩大基站的覆盖范围， 解决网络覆盖问题 提高覆盖质量 缺点工作量大，工程艰巨( 地形勘规划不当会增加施主基设备造价较贵，需要跟 测，申请站址，信号指标测量站的噪声电平，降低了系基站联合使用，需要解 与计算) ，成本昂贵统容量，造成基站性能的决和基站的匹配和干 下降扰问题 表1 1 三种优化方案的比较 t a b l ei 1c o m p a r i s o no f t h e t h r e eo p t i m i z a t i o ns c h e m e 双向塔顶放大器是在成功的开发和运用基站功率放大器和单工塔顶放大器的 基础上，将二者集成为一体的网络优化设备。它既能放大上行链路信号，改善基 2 站接收系统信噪比，提高接收灵敏度，增大上行信号覆盖距离；同时也放大下行 链路信号功率，增大下行信号覆盖距离，从而实现上下行信号覆盖范围同时增大， 达到覆盖延伸和网络优化的效果。 双向塔顶放大器与分设的基站功率放大器和单工塔顶放大器相比： 1 、具有上、下行链路平衡的机制：可使上下行信噪比同时增大，使基站延伸 覆盖后的上下行区域基本致，从而提高信号质量，减少掉话，提高切换成功率， 有效调节话务分配，改善网络的通话质量； 2 、毋需增加塔顶的天线和馈线：由于采用双工方式直接放大下行信号，可使 用基站原天馈系统，安装简便快捷； 3 、不需要变动基站基房内的收发信机接口：由于设备安装于塔顶上，电源通 过t 型头馈入，作为外置设备不需改变基站原有配置，可适应各种基站设备。 双向塔顶放大器可同时提高上下行链路允许的路损，尤其适用于微蜂窝基站， 安装和维护都很方便。 1 2 研究对象与主要任务 本文的主要研究对象是应用于实际无线通信网络中的双向塔顶放大器，它的 结构原理如下图所示，主要分为上行链路和下行链路，下行链路是将基站待发出 的信号经双工器滤波后，经由高功率放大器放大，再经滤波发送到天线端；下行 链路是将天线接收到的信号经双工器滤波后，经由低噪声放大器放大，再经滤波 发送给基站进行处理。 图1 2 双向塔顶放大器结构图 f i g1 2d i a g r a mo f t h es t r u c t u r eo f d u a lc h a n n e lb o o s t e r 本系统中待设计的主要部分是下行链路高功率放大器( h p a ) ，上行链路低噪 3 声放大器( l n a ) 以及系统实时控制部分，其中h p a 以及l n a 部分功能相对独 立，除了与供电电源和控制模块的接口以外，所以在设计主功能模块时可以分开 设计，预留出与控制模块的接口。 本文的主要任务是： 一、针对低噪声放大器实际工程中噪声、线性、匹配等性能要求，通过使用 a g i 【l e n t 公司的射频电路c a d 软件先进设计系统( a d s ) 进行完整的分析和电路设 计，实现基于e p h e m t 的增益可调，噪声系数低，高线性度和可靠性高的低噪声 放大器； 二、选用一款单片机作为控制芯片，实现对l n a 和h p a 的增益控制，以及 对h p a 的一些工作参数( 包括温度、电压、电流、输入输出功率、输出驻波比) 进行实时采集和相应控制： 三、对于参数控制和数据采集部分作一个可视化界面，直接利用计算机界面 输入控制系统参数以及显示系统实时工作状态。 4 2 双向塔顶放大器的系统结构设计 双向塔顶放大器包括下行和上行链路射频放大器，下行链路放大器是高功率 放大器，保证在整个工作带宽提供所需功率；上行链路放大器是低噪声放大器， 用于降低系统噪声系数，提高接收系统灵敏度。以下是1 0 m h z 带宽8 0 0 m h z c d m a 系统双向塔顶放大器的指标定义。 2 1 系统设计指标 首先根据系统指标，分清上行和下行链路的指标：低噪声放大器的主要相关 指标包括工作频率( 接收) ，噪声系数、旁通时插入损耗( 接收) 、接收增益、l n a 输出i d b 压缩点p 1 d b 和三阶截取点o i p 3 、回波损耗；高功率放大器的设计指标 除了放大器的一般指标外，还包括输入输出功率、电压驻波比、电流、电压和温 度门限值。 土要技术指标要求指标 8 2 5 8 3 5 m | l z ( 接收) i ：作频率 8 7 0 8 8 0 m l i z ( 发射) 8 0 d b ( 大线端口) 收发隔离度 5 0 d b ( 基站端口) 噪卢系数 + 1 0 d b m u q a 输出口3 + 2 0 d b m 最人r f 级( f 行) b t s 端口 一i ：作方式 + 4 l d b m 旁通方式 + 4 3 d b m 天线端口r 作方式 + 4 3 d b m 最大允许输入+ 1 0 d b m ( 上行) 1 8 d b ( a n t 和b t s 端口) 同波损耗 1 6 d b ( 旁通方式) 电源a c2 2 0 v 2 0 5 0 h z 整机功耗 3 5 0 w ( 典型2 9 0 w ) 5 离基站 一+ 4 1 d b m 将增筹减至晟小 输入过功率保护 将发射通道旁路 输出+ 4 5 5 d b m 将发射增益调剑最小 发射增益过大 报警指示过人增益 将发射通路切换剑旁路 当温度上升至8 5 2 断开 电源高温断开 当温度f 降至8 0 时自动恢复 超过设计温度，高功放断开 高功放高温断开将发射通道切换到旁通，并报警 当温度降至止常时，自动恢复 v s w r 电路，监控1 4 d b 动态范围 ( 从晟大额定功率4 3d b m 卜降 天线检查1 4 d b m ，当回波损耗小于8 2 d b ( s = i 9 3 o ) 时报警，表示天线未 接或不匹配 高功放散热温度极限 舳 高功放电流极限 7 a 报警极限 低噪放大器电流极限1 2 0 m a 大线端口驻波比极限2 2 ：1 标称 r 作- - 4 0 + 5 5 环境温度 存储一4 5 + 8 5 b t s 接头：n 型阴接头 天线接头：7 1 6 阴接头 接口 电源接头：c 1 6 阴接头 通信报警：d b 9 阴接头 2 2 系统结构划分 本系统可划分为四个模块：高功率放大器( h p a ) ，低噪声放大器( l n a ) ，单 片机控制和计算机控制界面。高功率放大器用于放大下行链路信号，低噪声放大 器用于放大上行链路信号。单片机主要有三个功能：是更改h p a 和l n a 的设置， 包括增益、a l c 控制值；二是采集h p a 的实时信号( 包括末级电流、工作电压、输 入输出功率、温度、电压驻波比) ，并将采集到的信号值与参考门限值进行比较， 若超过规定门限值则进行相应的报警和应急控制；三是与计算机控制界面通过通 用异步串行收发器( u a r t ) 进行通信。设计计算机控制界面是为了更直观、更简 便地对系统进行控制，它包括增益、a l c 参数更改，h p a 实时信号显示和报警指示 灯显示三个功能。 下图是系统整体设计的方案图，它进一步说明了模块之间的功能关系和接口。 6 | e 塞銮适占堂亟堂位逾塞塑囱拦亟丝厶蟹的丕筮结翅邀盐 高功率 放大器 h p a 低噪声放大器 l n a 图2 i 系统设计方案 f i g2 1d e s i g ns c h e m eo f s y s t e m 参照如下功能框图，可以明确地看出几个模块之间的联系( 电源和双工器不 在本次设计的任务范围内) ，l n a 必须预留出与控制板通信的端口，用来控制l n a 的增益和旁路切换，l n a 的增益控制采用数控衰减器来控制，那么只要预留出几个 i 0 管脚输出高低电平信号就可以控制增益；至于旁路切换，计划采用p i n 开关二 极管利用电源通断自行控制，不必占用单片机管脚资源。 h p a 的增益值设置采用与l n a 相同的原理，同样只需预留出几个单片机i 0 管 脚控制数控衰减器；而a l c 设置需要一个连续可调的模拟电压信号来控制，所以 不能直接由i o 管脚输出高低电平信号来控制，需要进行相应变换。实时信号的 采集需要利用传感器元件或其它原理将信号转换为电压信号，再经a d 变换输入 到单片机内进行处理。 计算机界面通过设计r s - 2 3 2 串口实现与单片机的双向通信，单片机采用t t l 电平逻辑，所以必须把t t l 电平转换为r s 一2 3 2 电平后与计算机串口互连。 2 3 系统结构设计方案 系统功能框图如下图所示。在双向塔顶放大器的天线端口，用发射和接收滤 波器提供双工连接，而在基站( b t s ) 端口，用环行器达到双工作用。环行器使部 件的整个尺寸达到优化。 在下行链路( 发射) 通路中，高功放( h p a ) 放大射频( r f ) 信号，在天线 端口提供+ 4 3 d b m ( 2 0 瓦) 信号。在上行链路( 接收) 通路中，低噪声放大器( l n a ) 在基站( b t s ) 接头处提供必要的增益，改善b t s 上行链路的灵敏度，提供个 平衡的链路。放大器的可变上行和下行增益将通过一个专用的控制接口进行远距 7 韭塞銮适厶堂亟堂位监塞塑自疆亟筮厶墼啦丕筮结控这让 设置。每一个h p a 和l n a 都包括一个旁通装置，通过数字控制模块来的信号自 动启动这一装置。通过在h p a 模块中的机械继电器和l n a 模块中的p i n 二极管 电路实现旁通。 a n t e n n a a s s e m l y 图2 2 具体功能框图 f i g2 2d e t a i l e db l o c kd i a g r a mo f b o o s t e r 双向塔顶放大器系统是一个包括按标准尺寸设计的单外壳组件，内装双工滤 波器、低噪声放大器( l n a ) 、高功率放大器( 瑚，a ) 和数字，控制模块。壳体外部 有散热片，可消散h p a 和电源组件( p s u ) 模块产生的热量。在该部件的下方，装 有外部的射频( r f ) 、功率和监控信号接头。双向塔顶放大器是按照c d m a 要求 设计生产的。 双向塔顶放大器可以装在墙上，也可以装在柱上，达到i p 6 5 封装杯准，可以 在各种气候条件下使用。增强器在天线端口使用达到i p 6 8 封装标准的7 1 6 r f 阴 接头，在b t s 端口使用达到i p 6 5 封装标准的n 型阴接头。 9 3 基于e - p h e m t 的低噪声放大器的设计 低噪声放大器( l n a ) 的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低 噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，l n 在今天的通信系统中多用在接收 机i j 端的第一级，所以低噪声放大器的设计对整个接收机性能来说是至关重要的。 近年来移动通信在世界范围内的爆炸性增长，各种射频集成芯片大量出现。 随着现代射频通信系统向低功耗、小型化的方向发展，射频集成芯片的使用量不 断扩大，同时单片成本不断降低。( 如用于g s m c d m a 基站及移动终端设备的l n a 、 混频器、功放等射频芯片价格绝大部分都在一美元上下。) 在这种情况下，利用芯 片进行某些无线通信产品开发设计便具有性价比高、开发周期短、性能稳定等一 系列优点。 在利用已有的射频放大器射频晶体管设计l n a 时，通常要从稳定性、增益、 噪声等角度进行考虑。最常用的方法就是引入s 参数和s m i t h 圆图来设计l n a ，即 在s m i t h 圆图中通过对s 参数、稳定圆、等增益圆、等噪声圆等图形进行分析， 来确定相关电路参数，最终实现设计目标。常规放大器系统如下图所示： 图3 1 常规放大器系统 f i g3 1g e n e r a ls y s t e m u n p l i f l 口 3 1 低噪声放大器设计中关键参数和指标 ( 1 ) 增益及增益平坦度 ( 2 ) 工作频率和带宽 ( 3 ) 输入输出功率 ( 4 ) 电源 ( 5 ) 输入输出反射系数 单位：d b 单位：h z 单位：d b m 单位：v 或a 单位：v s 脓 一 载 一 ；彳h蹦|叶 一匹络m 一 衄嗽竺 一输配一 甜瓜旧鬯 i辛；一中 一墨 i中i节 哥引叫k 一 入网一 蕊然一 毒磷宁- 一 频 一 颥 一 ( 6 ) 噪声系数 单位：d b 其它还有互调失真、谐振、反馈、热效应等对放大器性能有影响的参数。通 常，在设计l n a 时主要需要考虑三大技术指标： ( 1 ) 噪声系数越小越好，即尽可能少的引入噪声和信号失真，这是l n a 设计最 主要的目标。 ( 2 ) 足够的增益。 ( 3 ) 稳定性。 ( 4 ) 5 0 q 的输入输出阻抗匹配，为了达到功率匹配。 当然对于具体工程设计，高的截取点，供电电压和低的电流损耗等也需考虑。 3 1 1 双口网络的s 参数 对于一个双口或多口网络，可以用阻抗矩阵z ，导纳矩阵y ，链式矩阵a 以及 杂化矩阵h 来描述端口电压与端口电流之间的关系。式( 3 1 ) 就是用z 矩阵来表 示的伏安特性： v l v 2 ： v n 7 1 17 1 2 z 2 1z 2 2 z n ! z n 2涨 ( 3 1 ) 其中每个元素的定义式如下： z 一= 芒b t ， 组z ， 与之类似，y 矩阵中的元素是定义在端口短路的情况下的。对低频电路，这些 描述方法应用于不同场合，并能通过测量得到各个参数。然而，对于工作在射频 微波频率的多口网络，用s 参数来表征其特性更为合理，也更加有效。这是因为 频率很高的时候，已经无法通过简单的短路或开路的办法完成z 、y 参数的测量， 而s 参数则基于波的传播概念，能完整表述射频集微波电路的特性。参考图3 2 ， s 参数可以通过波向一个多口网络传播时在其各个端口处的入射与反射来定义： 耻孔：。 s 2 1 = 鲁1j n ：；。 曲2 ：且l o a 2 1 ( 3 3 a ) ( 3 3 b ) ( 3 3 c ) 靴。= 杀，= 击圳表和一化的入射粹波和反射 功率波。 l 圈3 2 烈e l 网络的s 参数 f i g3 2sp a r a m e t e ro f d u a l - p o r tn e t w o r k 从定义式可知，要确定墨l 、昆l ，, g , 须；f f a 2 = 0 ，即传播到负载无处功率波 被完全吸收，没有功率波从负载处反射回网络端e l ，亦即端口2 匹配。如果端口2 通过特性阻抗为z o 的传输线与一负载相连，z l = z o ，就称为端口匹配。此时6 l 就完全是入射波4 1 在端口1 处的反射，故卸i 的物理含义是端口2 匹配时的1 端口 的反射系数。而当2 端口匹配时，也完全是因入射波a l 通过网络的正向传输而在 端口2 获得的输出，因而j 2 1 可写成： 鼢2 烈一。( i 2 2 ) ( 3 4 ) b 2 1 的物理含义是网络的正向电压增益。当端口l 匹配时，有a l = 0 ，从而可得 到西2 、2 ，并且墨2 的物理含义是网络的反向电压增益，亦称为反向隔离度，2 则是端口2 的反射系数。 从s 参数的定义及以上的讨论可知，在测量射频或微波网络的s 参数时，只 要使某一个端口达到匹配即可，而不是对高频电路而言无法实现的端口开路或短 路。 3 1 2 放大器的各种功率和增益关系 放大器的增益有多种定义，它们取决于人们对射频放大器运行机制的了解。 为此，我们假设两个匹配网络分别包含在信号源和负载阻抗中，并依据其功率流 关系考察图3 - 1 ，则电路系统就可以简化为图3 3 ( a ) 。根据图3 ，3 中输入输出 ( 1 ) 入射功率( i n c i d e n tp o w e r ) = 三晶 限s ， ( 2 ) 实际输入功率( a c t u a li n p u tp o w e r ) = 训一i f h i 2 ) = 三晶”阶 ( 3 e ) ( 3 ) 电源的资用功率( p o w e ra v a i l a b l ef r o mt h es o u r c e ) ，e pr f = e 时的实际 输入功率 乃= p nf 7 n = f ：= j i 丽i b j l 2 ( 3 7 ) “) 负载吸收的功率( p o w e rd e l i v e r e dt ot h el o a d ) 圪= 扣2 ( 1 一断) ( 3 8 ) ( a ) 简单化的单级放大电路 d b 口l ( b ) 信号流图 图3 3 与单级放大器网络相连的信号源与负载 f i g 3 3s i g n a ls o u r c ea n dl o a dc o n n e c t e dw i t hs i n g l e - s t a g e a m p l i f i e r ( 5 ) 放大器的资用功率( p o w e ra v a i l a b l ef r o mt h ea m p l i f i e r ) 一 乙 一 一n ，一 芦孽 ，拿十l中心 一 嘲， 一 孓伊一 qii。广：，a bi叫帝h引rnr、 斟 韭塞窑煎厶堂亟堂鱼监塞基王星：h 壁m ! 鲍低噬主越厶墨醴逡盐 i 2 吃l t ：巳 根据上图( b ) ，可以推导出 垒： 璺2 1 以( 1 一曲l l ) ( 1 一s 2 2 叱) 一s 1 2 s 2 1 r l l ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 相关的功率增益的定义为 ( 1 ) 工作功率增益( o p e r a t i n gp o w e rg a i n ) g ：拿：j 吐些陋l ( 3 1 1 ) 。( 卜i r f n l 2 卜s 2 2 r l l 2 ” ( 2 ) 资用功率增益( a v a i l a b l ep o w e rg a i n ) g 4 = 鲁= 而( 1 孑- f s l 而2 “s 2 丽1 2 ( 3 1 2 ) 劬：拿：盘盥近唧吐 ( 3 1 3 ) 吻f ( 卜& l k x i 一$ 2 2 r 工) 一s 1 2 s 2 1 k l j 因为b 嘞+ 黼，啦z + 常 所以转换功率增益的表达式可以化简为： 唧一( 1 - i i s 2 ) | s ，2 t 2 ( 1 - f l 2 ，) 唧：( 1 - i f s i 2 ) s 2 _ 1 1 2 ( 1 - 可l r l l 2 ) ( 3 1 4 ) 1 1 一l 1 2 l i 一2 k 1 2 1 i l - 吒r o l 2 l i - s r , 1 2 当两2 = o 时，r k2 $ 1 1 ，r 知2 畅代入转换功率增益的表达式可以得到所谓的 锄= 雀1 $ 2 2 糌r ll i 掣s i l f 。l| 1 一i 一 3 2 稳定性判定及稳定化 ( 3 1 5 ) 射频微波电路放大器内通常存在着与频率有关的反馈量( s 1 2 ) ，而反馈系统 必然会引起稳定性问题。因此在放大器电路设计过程中，必须满足的首要条件之 一就是放大器在给定的直流偏置和工作频段内必须保持稳定( 因为s 参数是随直 1 4 流偏置和工作频率改变而改变) 。通常可以采用稳定性判定圆或者稳定性判据来确 定放大器的稳定性。 3 2 1 稳定性判定圆 我们将放大器视为一个两端口网络，该网络由s 参数及外部终端条件1 l 和1 s 确定。稳定性意味着反馈系数的模小于1 。因此我们可以得出放大器的稳定条件为： 忆j l k i ；：? j 锄、 麓 匕l 非稳定区 k 一- l f i = l 、一 ( a ) 阴影部分为稳定区，i s l l 1 图3 5 输出稳定性判断圆划分出平面上的稳定区和非稳定区 f i g3 5o u t p u ts t a b i l i t y a r e ad i v i d e db ys t a b i l i t yc i r c u l a r i t y 通常根据协l l ( 1 $ 2 2j ) 的值和输入( 输出) 稳定性判别圆来判别稳定区域 在以r 工为坐标的输出稳定性判别圆中，当k j = 。时，则 j = i s 卜1 1 s - 2 2 f k l a i i = 隅i i 。 如上图( a ) 中所示，当l s 1 l 时， 则图中的阴影部分表示慨lj 和f k l 均小于1 的区域，即为稳定区域，其外都为非稳 定区域。 1 6 d 一酽 & 一一 血 l l - le 。 鬣 稳定区 | c i j l l 非稳定区 ； 鸯 i ， t 一i 采。 、一 c a ) 阴影部分为稳定区。l $ 2 2 l 1 图3 6 输入稳定判定圆划分出平面上的稳定区和非稳定区 f i g3 6i n p u ts t a b i l i t ya r e ad i v i d e db ys t a b i l i 蜉c i r c u l a r i t y 在以k 为坐标的输出稳定性判别圆中，当k i = 0 时，则 酬= i 篙剖鹊2 i o 如上图( a ) 中所衣鞭2 l l 时，则图中的阴影部分表示i 昆2 | 和忆i 均小于1 的区域，即为 稳定区域，其外都为非稳定区域。 3 2 3 无条件稳定 无条件稳定是指在选定的工作频翠和偏置条件下，放大器在整个s m i t h 单位 圆内始终处于稳定状态这个概念对输入输出端口都适用。 若慨l l l 1 7 l “ i r 。i = 1 f r s 、l = 1 ， 、 i 弋渤j 、哆 彳i ； r ； 、j | | 、 ， 一 l r o l 一，一兰 、i i g i = 1 7 碧j | | i 。 ； 色 l 一一一7 ( a ) r 乙“= l( b ) k | - 1 图3 7i s l , i l 时，r 矗f 和l 平面上的绝对稳定条件 f i g3 7 a b s o l u t e s t a b i l i t y c o n d i t i o n w h e nj s l ij l k 。 i r , 1 ：1 忆l = l ，一一一、 u t j ： ，? 、一。声c m 么_ 1 i = 1 一一 1 2 、 忆i = l 磐丸。 l f 、 i 、 ( a ) i - l( b ) l r l i - l 图3 8l 观2 i l 时，r k 和r 2 平面上的绝对稳定条件 f i g3 8a b s o l u t es t a b i l i t yc o n d i t i o nw h c n l s 2 2 i ，其中2 曲观z 一研z t ( s 埘) 3 2 5 放大器的稳定化措施 放大器在未加入输入，输出匹配网络，且源和负载均端接5 0 q 电阻时， k l - - i r l | _ o 或| _ l z z 删o u t 蝴- z o i 这表明非稳定状态有r e z 加 0 对输出端而言r e z 俐+ 也+ z l 0 或r e + g 0 + 圪 0 由于晶体管输入、输出端口之日j 的耦合效应，通常只需稳定一个端口。具体 稳定哪个端口完全取决于电路设计者。然而，应该尽量避免在输入端口增加电阻 元件，因为电阻产生的附加噪声会被放大。 用增加电阻的方法实现晶体管稳定，但也要付出一定的代价：阻抗匹配状态 可能被破坏( 因此匹配网络的设计是放在稳定网络设计之后的) ，这将会产生功率 传输损失；由于电阻产生的附加热噪声，晶体管的噪声系数通常会恶化。 其它的一些稳定性措施： ( 1 ) 串联阻抗负反馈，该方式会使放大器的增益有所下降，但更容易匹配。 ( 2 ) 采用铁氧体隔离器隔离天线和l n a ，特别是低频段。 ( 3 ) 采用阻型稳定衰减器接在l n a 的末级输出口，通过电压分压原理降低反射 系数。 “) 采用低端增益衰耗电路吸收工作频带的低端出现的不易消除的增益尖峰。 3 3 按恒定增益指标设计 3 3 1 单向化设计方法 在设计放大器时，功率增益是设计任务中的一个重要的指标。如果晶体管的 反向增益非常小时( s 1 2 * 0 ) ，我们就可以忽略该反馈量。这时便可以采用单向化 功率增益作为设计的指标。根据前面的定义，单向化功率增益可以表达为； = 铿1s 2 2 擀蚜s r , i 卿i l -r 上m 一 鼽魄= 器，酬鼢一眈= 器 增益通常用d b 表示，所以可得： g t u ( d b ) = g s ( d b ) + g o ( d b ) + o l ( a s ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) t - - 0l 吒i 畦= 0 r 占l 一 z 0 甲一 铅5 圪龟 。l ，!l il j b = 最l r o 甜。s 2 2 幽3 1 1 单向化功翠增益的原理框图 f i 9 3 1 1p r i n c i p l e d i a g r a m o f o n e - w a y p o w e r g a i n 如上图所示，g 台和g t 是与输入、输出匹配网络有关的增益分量，g o 是晶体 管的插入增益。如果慨1 f 和p 2 2 i 都小于1 ，且输入、输出端口都匹配( 即l = 路， i l = 跪) ，则有最大单向化功率增益劬u 。，此时可得： 略嗽。斋吗一2 奇 n 2 4 g s 和g 2 的贡献可以用他们的最大值来归一化，即 毋= 老= 丽l - l r , r 2 ( 1 - j 2 ) ( 3 2 5 ) 其中下标注i 表示s 或l ，下标i i 表示i i 或2 2 ；归一化增益0 g j l 。 对上式中的反射系数l 进行求解，可以得到一族单向化等增益圆方程： ii l f i - d g i i 一，g f ，其圆心坐标为： l g f ( 1 一i 品1 2 ) 2 i 赫。 2 1 ：罢警l 一，圆半径为： 卜怫f 2 ( 1 - g d ；瓤p 一 晚 一 ；手；隔：中 j 一 i=_rj 一尚一 ，川u一ori 根韬早同化等增益圆万程口j 以得剑f 列结论： d 当= 时，即等增益的圆心为d g f2 ，圆半径为7 g f2 0 ，此时可得到 最大增益q 一2 丽1 口 ( 2 ) 所有等增益圆的圆心都落在原点到的连线上。增益值越小，则圆心越 靠近原点，同时半径越大 3 对于特殊情况l = o ，归一化增益变为g i5 l i 1 2 ，而且和略f 具有相同 的数值，均舒丽 s i i 这表明g f = 1 ( 即。d b ) 圆总是与n 平面的原点相交。 3 3 2 单向化设计误差因子 单向化设计法包含了一个近似条件，即忽略了放大器的反馈效应( 即认为反 馈增益s 2 1 = 0 ) 。为了估计此近似条件产生的误差，可以用转换功率增益g 与单 向化转换增益g 础的比值来表示，其中g g t u 。当输入、输出端口匹配时( 即 l = 靖，吒= 畋) ，劬u 有最大值，同时误差也最大。其表达式为 鱼： l 岛2 s 2 l s 玉 j 卜瓦砷2 ) 0 - ，此式可用于确定误差起伏的极限： ( 1 + 一2 妻l s ( 1 一( ，) ，其中u 就是与频率相关的单向化设计误差因子： o - t u 【，：坐塑咝。 ( 1 - i s l l l 2 ) ( 1 - s 2 2 2 ) 在评估单向化放大器设计方案时，这个误差因子因子应尽量小。在极限情况 下，即在$ 2 1 = 0 的理想情况下，随着g 趋于劬u ，误差确实消失了( 即u = o ) 。 3 3 3 双共轭匹配设计法 实际情况中，采用单向化设计法并不总是合适，因为大多数情况下令$ 2 1 = 0 ， 将导致超出误差要求的不可容忍的结果。因此绝大多数时候，我们应该采用不能 忽略晶体管反射效应的双共轭匹配设计法。双共轭匹配设计法中为了实现输入、 输出网络同时共轭匹配，需满足下面的联立方程： c = s l l + 端 吒嘞+ 黼 ( 3 2 6 ) 如果晶体管具有潜在的不稳定性，则复数共轭就不能同时成立，因此上面的 联立方程仅在无条件稳定的前提下才能求解。其解为： l = 其中c l = r 工= 其中c 2 = s 2 2 一s 矗，毋= l