毕业设计（论文）微波放大器输入输出匹配电路的设计

1、景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文)中文题目： 微波放大器输入输出匹配电路的设计 英文题目： design of input and output matched circuit of microwave amplifiers 院 系： 机电学院 专 业： 电子信息工程 姓 名： * 学 号： 200810350135 指导教师： * 完成时间： 2012-6-1 摘 要 本文对微波放大器匹配电路的设计进行了研究。 微波晶体管放大器的设计可用不同的方法进行,通常采用最多的是图解法。它是根据所测得的微波晶体管的s 参数, 借助于史密斯圆图,设计微波晶体管放大器的输入、输出和级间匹配网络。本次设计

2、所用的也是图解法。本文中首先介绍了微波网络的基础知识。随后分析了微波放大器的设计原理以及技术参数包括稳定性分析、噪声系数圆、放大器的功率关系等。最后实现了微波放大器输入输出匹配电路的设计和使用仿真软件awr microwave office进行优化仿真。关键词: 微波；放大器；匹配电路；s参数；awr仿真软件abstract in this paper ，the design of a matching circuit of microwave amplifier are studied。 design of microwave transistor amplifiers may be use

3、d in different ways, and usually the most is graphic method。it is according to the measured microwave transistor s parameter, with the help of smith chart, design of microwave transistor amplifier input, output and the interstage matching network。graphic method for the design。this paper firstly intr

4、oduces the basic knowledge of microwave network.。subsequent analysis of the microwave amplifier design principle and technical parameters including stability analysis, noise figure circles, power relationship.finally the microwave amplifier input and output matching circuit design and use of simulat

5、ion software awr microwave office optimized simulation.。 key words: microwave; amplifier; matching circuit; s parameters; awr simulation software目 录第1章 引 言 (1)1.1 微波晶体管放大器的发展 (1)1.2 微波晶体管放大器设计的发展 (2)1.3 通信的发展对微波放大器的要求 (2)1.4 本文的主要内容和章节安排 (3)第二章 微波网络的基础知识 (4)2.1 网络的基本概念 (4)2.2 波导等效为平行线 (5)2.3 微波元件等效为

6、网络 (6) 2.3.1 网络参考面的选择 (6) 2.3.2 不均匀区等效为微波网络 (7) 2.3.3 微波网络的特性 (8)2.4 二端口微波网络 (9) 2.4.1 二端口微波网络的网络参量 (9) 2.4.2 端口微波网络参量的性质 (13) 2.4.3 二端口微波网络的工作特性参量 (14) 2.5 smith圆图 (16) 2.5.1 反射系数圆 (15) 2.5.2 电阻图与电抗图 (16) 2.5.3 求输入导纳 (18)第三章 微波放大器的设计原理 (19)3.1 单级晶体管的详细模型 (19)3.2 微波放大器的特性指标(19)3.3 微波场效应晶体管 (20)3.4 微

7、波放大器的主要技术指标 (23) 3.4.1 放大器的稳定性 (23) 3.4.2 噪声系数圆 (25) 3.4.3 放大器的功率增益分析 (25)3.5 微波放大器的匹配设计 (27)第四章 软件awr microwave office介绍(29)4.1 软件的组成 (30)4.2 软件设计环境 (31) 4.2.1 主菜单与工具条 (32) 4.2.2 proj（工程浏览) (33) 4.2.3 elem（元件浏览页） (33) 4.2.4 layout（布线浏览页）(33)4.3 软件的基本操作 (34) 4.3.1 工程部分 (34) 4.3.2 原理图部分 (35) 4.3.3 线性

8、仿真 (37) 4.3.4 非线性仿真 (37) 4.3.5 电磁仿真 (37) 4.3.6 布线图 (38) 4.3.7 传输线计算器txline (39)第五章 基于参数s微波放大器的匹配设计与电路仿真（41） 5.1 选择适当的晶体管及其稳定性的判定（41） 5.2 输入和输出匹配电路的设计（42） 5.2.1. 输出端匹配 (42) 5.2.2. 输入端匹配 (44)5.3 整体电路的仿真（45）第六章 结束语(47)参考文献 (48)致 谢 (49)第一章 引言 随着半导体技术的迅速发展, 微波晶体管放大器在提高工作频率和增大输出功率等方面都取得了很大的进展。但随着晶体管工作频率和输

9、出功率的提高, 其输入和输出阻抗实部会非常低,并具有相当的电抗,在实际应用中, 这些低阻抗需要与系统特性阻抗(一般为50)相匹配, 并有足够的带宽。微波放大器近年来已广泛应用于雷达、电子对抗、广播电视等领域，它具有体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、相位特性好的优点，且一般都在50欧姆的微带线上进行调试因此, 在源和负载之间需要设计和制作一个宽带、 高匹配的无源网络,使晶体管的实部得以提高,虚部尽量减小,这样既可减小输入端的反射功率,又能增大器件的输出功率,这样不仅提高了功率增益和集电极效率,也增加了功率管在整个频带内的稳定性,充分发挥微波功率晶体管的性能,这种无源网络被称为微波匹配电路。 1.

10、1微波晶体管放大器的发展 微波放大器通常是随着放大器件的生产和工艺技术的改进而发展的。微波晶体管放大器也是如此。它随着微波晶体管的生产和工艺技术的发展而发展，40年代末期，世界上第一只半导体三极管问世，由于其体积小，重量轻，省电等优点，受到极大的重视。并迅速发展成为固体电子器件的一个重要分支。到60年代中期，由于平面外延工艺的发展，双极晶体管的工作频率跨进了微波频段，出现了微波双极性晶体管（bji）及其相应的放大器。早在1952年，w.肖克来就提出了场效应晶体管(fet)，但是由于当时工艺技术条件限制，这种管子还未发展成为实用固件器件。直到60年代中期，随着半导体材料和工艺的迅速发展，fet不

11、但很快成为实用的固体器件，而且紧跟着在双极晶体管之后迅速进入微波频段，出现了微波及其相应的放大器。微波双极性晶体管及微波并驾齐驱，是微波晶体管放大器的发展日新月异。60年代中期微波晶体放大器出现后，由于其频带宽，稳定性好，省电，简单的特点，并且其噪声性能也不差，因而很快取代了之前的。随着工作频率的提高和噪声性能的改善，到了60年代晚期，微波晶体管放大器开始取代了l和s波段的低噪声行波管放大器。现在由于技术的成熟再加上微波fet可以达到的工作频率比微波双极性晶体管可能达到更高，并且前者的噪声系数也比后者低很多，尤其在近几年，随着半导体微电子技术的发展出现了很多性能优越，价格便宜的微波器件，从分立

12、元件到mmic，这些都为工程设计提供了很多选择，再加上近几年无线通信技术的迅猛发展使得这些器件获得了广泛的应用。1.2微波晶体管放大器设计的发展 微波晶体管的内部结构和管壳封装会形成许多寄生参量。由于这些寄生参量的影响，以及双极性晶体管的基区和场效应管的沟道分布特性，使他们在微波频率上不便于在用低频电流电压的概念及相应的网络参量来分析，因为这些参量的测量已经变得很困难，一直无法测量，这时用波的概念和相应的网络参量来分析较为有利。上世纪六十年代kkurokawa提出了功率波和散射参量（简称s参量）。六十年代bodway用他们来系统的分析微波晶体放大器。微波晶体尺寸很小，在微波频率上其输入和输出阻

13、抗较低，因此，无论在结构方面，还是在阻抗匹配方面，它都适合于与微波电路等配合应用。在微波晶体管设计思想发展的同时，微波电路计算机辅助计算技术也得到了快速的发展。由于微波电路较难进行微调，在技术性能要求比较严格的放大器中，噪声系数，工作频率，增益平坦度，输入输出驻波比等许多技术指标不仅要求苛刻，而且各指标互有矛盾，只能依靠计算机辅助设计软件来支持。微波电路cad技术源于六十年代末，大都在美国高等学院进行研究。在七十年代中期已有商品软件投放市场。同时国外各大公司的研究机构也自行开发自己使用的程序。进入八十年代后，不少微波cad软件公司相继成立，微波电路设计软件的功能不断增强，作为完整的cad工具已

14、经成熟，现在市场上应用范围广的微波电路设计软件有这次我选择的由awr公司开发的microwave office，安杰伦公司的ads，ansoft公司的serenade。1.3通信的发展对微波放大器的要求由于近年来无线通信、卫星通信、全球定位系统、雷达及无线接入系统的发展、新型半导体器件的研制使得高速数字系统和高频模拟系统不断扩张，达到微波频段。微波放大器作为上述系统的前端部分，已经在这些系统得到广泛的应用。而且对于这些通信系统的要求是通信距离越来越远，接受的灵敏度越来越高，体积越来越小，相应的对微波放大器的基本要求是：（1） 频带宽，相位线性好。由于微波晶体管从直流到微波的宽频带范围内都具有放

15、大能力，因此易于实现宽带化。它的宽带主要受匹配网络的限制；（2） 稳定性好，可靠性高。通常微波晶体管放大器都是二端口传输型放大器，稳定性和可靠性都比其它的类型的放大器要好；（3） 噪声低。低噪声微波晶体管放大器的噪声系数可以做的很低，优于行波放大器和隧道二极管放大器的噪声系数；（4） 动态范围大。微波晶体管放大器功率增益1分贝压缩点达毫瓦量级，因此动态范围大；（5） 体积小，重量轻耗电少，易于实现标准化和集成化。1.4本文的主要内容和章节安排 本文的设计是针对微波晶体管在已知s参数的条件下对其最大功率增益放大器输入输出电路的匹配设计，在本文中我们所选用的晶体管在5ghz时s矩阵为对其输入输出电

16、路进行匹配设计。主要章节安排如下：第二章介绍的是微波网络的基础知识；第三章介绍了微波放大器的设计原理；第四章介绍了这次设计中所用的仿真软件awr microwave office以及它的基本操作；第五章是匹配电路的具体设计方案，和它的仿真优化；最后一章是对本课题所做工作的总结。第二章 微波网络的基础知识2.1 网络的基本概念(一) 微波系统的研究方法：微波网络理论。任何一个微波系统，都是由各种微波元件和微波传输线组成。任何一个复杂的微波系统都可以用电磁场理论和低频网络理论相结合的方法来求解，这种理论称为微波网络理论。微波 电路 或系统微波传输线微波元件（或不连续性）等效平行双线等效集总参数电路

17、微波等效网络电磁场理论微波网络理论低频电路理论(二) 微波网络的特点;任何一个微波系统都是由各种微波元件和微波传输线组成的。任何一个复杂的微波系统都可以用电磁场理论和低频网络理论相结合的方法来分析，这种理论称为微波网络理论。1) 等效电路及其参量是对一个工作模式而言，对于不同的模式有不同的等效网络结构及参量。2) 电路中不均匀点附近将会激起干高次模，因此不均匀区段的网络端面（即参考面）须取得稍远离不均匀区，是不均匀区激励起的高次模衰减到足够小，此时高次模对工作模式的影响仅增加一个电抗值，可以计入网络参量之内。3) 由于均匀传输线是微波网络的一部分，它的网络参量与线的长度有关，因此整个网络参考面

18、也要严格规定，一旦参考面移动，则网络参量就会改变。4) 微波网络的等效电路及其参量只适用于一个频段，当频率范围大幅度变化是，对于同一个网络结构的阻抗和导纳不仅有量的变化，而且性质也会发生变化，致使等效电路及其参量也发生改变，而且频率特性会重复出现。(三) 将微波元件等效为微波网络，必须解决的如下三个问题：1) 确定微波元件的参考面；2) 又横向电磁场定义等效（模式）电压、等效（模式）电流和等效（模式）阻抗，以便将均匀传输线等效为双线传输线；3) 确定一组网络参数、建立网络方程，以便将不均匀区等效为网络。(四) 微波网络理论包括网络分析和网络综合网络分析：对微波元件进行分析，求其特性网络综合:

19、根据工作特性要求，设计并实现微波网络的分类，其中包括线性与非线性微波网络；互易与非互易微波网络；有耗与无耗微波网络；对称与非对称微波网络。2.2 波导等效为平行双线波导传输线 平行双线 为了定义任意截面沿z方向单模传输的均匀波导参考面上的模式电压和模式电流，一般做如下规定：1) 令模式电压正比于横向电场；模式电流正比于横向磁场；2) 模式电压与模式电流共轭的乘积等于波导传输的复功率；3) 模式电压与模式电流之比等于模式特性阻抗；归一化阻抗 (2-1)故归一化电压和电流的定义为 (2-2)复功率 (2-3)等效双线上的电压和电流可写成入射波和反射波之和，即 (2-4) (2-5)电压、电流进行归

20、一化 (2-6) (2-7)即 (2-8)归一化入射波电压模的平方正比于入射波功率，即 (2-9)归一化反射波电压模的平方正比于反射功率，即 (2-10)双线上传输的有功功率 等于 (2-11)2.3 微波元件等效为网络不均匀区 集总参数网络 2.3.1 网络参考面的选择参考面的位置可以任意选，但必须考虑以下几点：1、 单模传输时，参考面的位置尽量远离不连续性区域2、 参考面必须与传输方向相垂直（参考面上的电压和电流有明确的意义） 3、 网络参考面的选定网络参数唯一确定4、 单模传输，外接传输线的路数等于参考面数目。如下图所示：(a) 二端口微波网络(b) 四端口微波网络图2-1微波元件及其等

21、效网络2.3.2 不均匀区等效为微波网络微波元件对电磁波的控制作用是通过微波元件内部的不均匀区(不连续性边界)和填充媒质的特性来实现的。将不均匀区等效为微波网络，需要用到电磁场的唯一性原理和线性叠加原理。唯一性原理l 在一个封闭区域的边界上，切向电场或者切向磁场如果是确定的那么区域内的电磁场就被唯一确定l 不连续性区域的边界是由导体及网络参考面构成的，参考面上的模式电压和模式电流正比于横向电场和横向磁场的幅度函数，如果网络参考面上的电压确定了，则网络内的电磁场就唯一地确定。线性叠加原理对于n端口线性网络 （2-12） 式中zmn为阻抗参量，若m=n称它为自阻抗，若mn称它为转移阻抗。如果n端口

22、网络的各个参考面上同时有电压作用时 （2-13）式中ymn为导纳参量，若m=n称它为自导纳，若mn称它为转移导纳。 （2-14） （2-15） 2.3.3 微波网络的特性l 线性与非线性网络1)微波网络参考面上的模式电压与模式电流呈线性关系2）无源器件线性网络3）有源器件非线性网络l 可逆和不可逆网络（互易和非互易网络）1）网络内只含有各向同性媒质2）非铁氧体的无源微波元件可逆网络3）铁氧体的微波元件和有源微波电路不可逆网络 （2-16）l 无耗和有耗网络网络内部为无耗煤质，且导体是理想导体，pin=pout （2-17）l 对称和非对称网络微波元件的结构具有对称性对称网络 （2-18）三点规

23、定：1) 电压和电流仅对特定波导模式定义，且定义电压与其横向电场成正比，电流与其横向磁场成正比。2) 为了和电路理论中的电压和电流应用方式相似，等效电压和电流的乘积应当等于该模式的功率流。3) 单一行波的电压和电流这之比等于此线的特性阻抗。此阻抗可任意选择。但通常选择发、等于此微波传输线的波阻抗，或归一化为1.2.4 二端口微波网络 2.4.1 二端口微波网络的网络参量在各种微波网络中，二端口微波网络是最基本的。例如：衰减器、移相器、阻抗变换器和滤波器等均属于二端口微波网络。表征二端口微波网络特性的参量可以分为两大类： 1) 反映网络参考面上电压与电流之间关系的参量 ；2) 反映网络参考面上入

24、射波电压与反射波电压之间关系的参量。如图2-2所示。如图2-2 二端口微波网络l 阻抗参量 用和两个参考面上的电流表示两个参考面上的电压，其网络方程为 （2-19） 各阻抗参量元素定义如下： 表示面开路时，端口(1)的输入阻抗；表示面开路时，端口(2)的输入阻抗；表示面开路时，端口(2)至端口(1)的转移阻抗；表示面开路时，端口(1)至端口(2)的转移阻抗; 特性阻抗归一化和参考面上的归一化电压和归一化电流分别为 （2-20） 归一化阻抗参量为 （2-21）l 导纳参量用t1和t2两个参考面上的电压表示两个参考面上的电流，其网络方程为 （2-22） 各导纳参量元素定义如下 :如果和参考面所接传

25、输线的特性导纳分别为和，则归一化表示式 （2-23） l 转移参量用面上的电压、电流来表示面上的电压和电流的网络方程，且规定电流流进网络为正方向，流出网络为负方向。则有 （2-24） 转移参量的定义为 表示面开路时，端口(2)至端口(1)的电压转移系数；表示面短路时，端口(2)至端口(1)的转移阻抗； 表示面开路时，端口(2)至端口(1)的转移导纳； 表示面短路时，端口(2)至端口(1)的电流转移系数。 归一化方程 （2-25） 不管电路如何变化，信号源输出功率可以设法保持不变，而且很容易得到匹配的终端负载。l 散射参量 二端口网络参考面和面上的归一化入射波电压和归一化反射波电压应用叠加原理，

26、可以用两个参考面上的入射波电压来表示两个参考面上的反射波电压，其网络方程为 （2-26）散射参量的定义为 表示面接匹配负载时，面上的电压反射系数； 表示面接匹配负载时，面至面的电压传输系数； 表示面接匹配负载时，面至面的电压传输系数； 表示面接匹配负载时，面上的电压反射系数。l 传输参量 用面上的电压入射波和反射波来表示面上的电压入射波和反射波，其网络方程为 （2-27）矩阵形式为 : （2-28）表示表示面接匹配负载时，面至面的电压传输系数的倒数，其余参量没有直观的物理意义。2.4.2 端口微波网络参量的性质 一般情况下，二端口网络的五种网络参量均有四个独立参量，但当网络具有某种特性(如对称

27、性或可逆性等)时，网络的独立参量个数将会减少。 l 可逆网络如前所述，可逆网络具有互易特性 （2-29）其它几种网络参量的互易特性为 l 对称网络一个对称网络具有下列特性其它几种网络参量的对称性为 由此可见，一个对称二端口网络的两个参考面上的输入阻抗、输入导纳以及电压反射系数等参量一一对应相等 l 无耗网络利用复功率定理和矩阵运算可以证明，一个无耗网络的散射矩阵一定满足“么正性”，即或写成代入得 （2-30）2.4.3 二端口微波网络的工作特性参量 对于二端口网络来说，常用的工作特性参量有电压传输系数t、插入衰减a、插入相移q 以及输入驻波比r。l 电压传输系数t 电压传输系数t定义为：网络输

28、出端接匹配负载时，输出端参考面上的反射波电压与输入端参考面上的入射波电压之比，即 （2-31）t即为网络散射参量，即可逆二端口网络 l 插入衰减a 插入衰减a定义为：网络输出端接匹配负载时，网络输入端的入射波功率pi与负载吸收功率pl之比，即 （2-32） （2-33）由此可见，插入衰减等于电压传输系数平方的倒数。对于可逆二端口网络，则有 （2-34）l 插入相移q 插入相移定义为：网络输出端接匹配负载时，输出端的反射波对输入端的入射波的相移。 （2-35）因此根据定义，有 （2-36） 对于可逆网络 l 输入驻波比r 输入驻波比r定义为：网络输出端接匹配负载时，输入端的驻波比。 （2-37）

29、当输出端接匹配负载时，输入端反射系数即为s11，所以有 或 （2-38）对于可逆无耗网络，仅有反射衰减，因此插入衰减与输入驻波比有下列关系 （2-39）2.5 smith圆图基本思想：特征参数归一，以等反射系数圆为基底，套覆阻抗和导纳圆图。包含：反射系数圆、等电阻(导)圆、等电抗(导)圆，讨论特殊点、线、面和方向2.5.1 反射系数圆反射系数为 （2-40）式中 这是传输线终端负载处的反射系数对于给定了终端负载的均匀无耗传输线图 2-3 反射系数圆（给定许多不同阻值的负载，就得到许多与之相对应的，具有不同半径和不同初相角的圆）2.5.2 电阻图与电抗图复数阻抗 （2-41） 归一化的输入阻抗z

30、 （2-42）r为归一化电阻，x为归一化电抗又 可得 （2-43）整理得 （2-44）当r为不同常数时，该式在复数平面上表示一族圆，即为电阻圆。图2-4 电阻圆同样的可整理得 （2-45）当x（+x和-x）为不同常数时，该式在复平面上也表示一族圆，为电抗圆。图2-5 单位圆上半部中的电抗曲线对应于感性电抗（+jx）下半部中的电抗曲线对应于容性电抗（-jx）特殊点、线、面的物理意义匹配点：坐标原点（0,0）处，纯电抗圆： 对应传输线上位纯驻波状态。右半实轴上的点是电压振幅值的腹点（电流的节点），该点的归一化电阻r在数值上等于驻波比s。实轴的右端点（1,0）是开路点。左半实轴上 的点是电压振幅值的

31、节点（电压的腹点），该点归一化的电阻r在数值上等于行波系数k（1/s）。实轴的左端点（-1,0）是短路点2.5.3 求输入导纳 当微波元件为并联时，使用导纳计算比较方便。求输入导纳值，可利用阻抗圆图来求。根据阻抗变换，传输线上任意位置的归一化输入导纳，在数值上与相隔 位置的归一化输入阻抗是相等的。先在阻抗圆图上找到与该位置的归一化输入阻抗相对应的点，以该点至坐标原点的连线为半径画圆，再将该点沿圆周旋转 ，该点对应的r在数值上等于所求归一化导纳中的电导g，此点所对应的x在数值上就等于所求归一化纳中的电纳b。第三章 微波放大器的设计原理3.1 单级晶体管的详细模型在设计放大器之前先要建立放大器模型

32、，图3-1是简单的放大器的模型，包括输入输出匹配网络。 图3-1 单级放大器的模型 微波放大器与常规的低频电路的设计方法完全不一样，它需要考虑一些特殊的因素。尤其是入射电压波和入射电流波都必须与有源器件良好的匹配，以便降低电压驻波比，避免寄生振荡，正由于这个原因，稳定性分析通常被作为射频放大器工作的第一个步骤，稳定性分析以及增益圆，噪声系数圆都是放大器电路设计所必须的基本要素，然后根据这些要素才能设计出符合增益，增益平坦度，输出功率等要求的放大器。3.2 微波放大器的特性指标 一个放大器用以下关键参数来描述它的特性1) 增益平坦度（以db表示）2) 工作频率及宽带（单位：hz）3) 输出功率（

33、单位：dbm）4) 直流输入功率（v和a）5) 输入输出反射系数（vswr） 6）噪声系数（以db表示） 3.3 微波场效应晶体管 微波晶体管的性能指标与工作频率有很密切的关系，一般来讲晶体管有bjt何fet两种。晶体管经50年的发展得到一系列提高和改进。其范围从仍然流行的双极结晶体管经现代的gaa,场效应管（gaasfet）到最新式的高迁移率晶体管（hemt）。 微波场效应管的工作原理与低频场效应管相同，它是一个电压控制器件。由于它是以多数载流子在沟道中的漂流运动为基础的，因而其工作频率比微波双极晶体管更高，对工作状态变化的稳定性以及噪声性能等都比微波双极晶体管要好。 微波fet可分为三大类

34、：绝缘栅场效应晶体管，结型场效应管和金属半导体场效应管（mesfet）。按栅级数目的不同，微波fet分为单栅微波fet和双栅微波fet。在双栅微波fet应用中，再用一个栅极对信号进行放大的同时，可用另外一个栅极实现手动或自动增益控制。下面将以常用的单栅微波fet为例进行分析。图3-2 微波fet的等效电路图。图中各等效元件的符号的意义如下：cgs是栅源部分耗尽层结电容，通常为十几分之微微法拉；cdg是栅漏部分耗尽层结电容，通常为百几分之微微法拉；cgs+cdg是栅极与沟道这几件耗尽层总电容；cds是漏极与源极之间的衬底电容，通常为百几分之微微法拉；cdc是模拟导电沟道中点和偶极层的电容，通常为

35、百几分之微微法拉；ri是导电沟道中靠源端部分的沟道电阻，通常为几百欧姆；rds是漏极和源极之间的总沟道电阻，通常为几百欧姆；rs是源极串联电阻，它包括源极的体电阻，源极引线接触电阻。通常为几欧姆；rd是漏极串联电阻，它包括漏极的体电阻，漏极引线接触电阻。通常为几欧姆；rg是栅极串联电阻，它包括栅极的体电阻，栅极引线接触电阻。通常为几欧姆ls，lg和ld分别是源极，栅极和漏极引线电感，通常为百分之几毫微亨利；fet的s参量 由于微波晶体管封装在管壳内，而管壳产生的射频效应对管子有产生了很大的影响，一个封装的fet的等效电路是很复杂的，因此采用等效电路进行器件性能的分析和电路设计很不方便，由于微波

36、晶体管在小信号作用下是线性器件，可以看做线性两端口网络，因此可用网络参数来表示它的外部特性。虽然网络参数不涉及管芯和管壳的物理结构，但是晶体管参数呈现的性质及其变化规律是由管子内部的物理结构决定的，因而他们是等效的。 图3-3 二端口微波网络简单的说，s参量表达的是功率波，它是我们可以用入射功率波和反射功率波的方式定义网络的输入输出关系，根据图3-3我们可以定义归一化入射功率波和归一化反射功率波，如下： （3-1） （3-2）在图2-3所示的二端口微波网络中，a1和b1分别为端口1的归一化入射电压波和反射电压波；a2和b2分别为端口2的归一化入射电压波和反射电压波。二端口微波网络的输入和输出之

37、间的关系可以表示为 （3-3） 即 其中 （3-4）式（3-3）称做散射方程，s叫散射矩阵或散射参数。 由式（3-3）可以得出二端口网络的s参数为： |，即当端口2匹配时（zl=zo），端口1的反射系数； |，即当端口1匹配时（zs=zo），端口2的反射系数；|，即当端口1匹配时，端口2到端口1的传输系数； |，即当端口2匹配时，端口1到端口2的传输系数。 通过上面的分析我们可以看出，微波网络的s参数具有确定的物理意义,s矩阵的各个参数是建立在端口接匹配负载基础上的反射系数或传输系数，这样利用网络输入输出端口的参考面上接匹配负载即可测得散色矩阵的各个参量。图 3-4 二端口微波网络通常，我们可

38、以从晶体管的厂家那里得到s参量，然后根据管子的s参量和已知的负载阻抗和源阻抗，就可求出晶体管的输入和输出反射系数，在这里结合图3-3和图3-4的二端口网络来表示晶体管接上信号源和负载，信号源内阻表示为，负载表示为，从信号源到晶体管的输入端的传输线和从负载到晶体管的输出端的传输线的特性阻抗都是。那么信号源和负载处的反射系数分别为： 和 定义晶体管的输入，输出反射系数分别为和，就可以分别求出和。 （3-5） 3.4微波放大器的主要技术指标3.4.1 放大器的稳定性 在放大器的设计中，最重要的一个方面是稳定性问题。放大器有内反馈，可能造成放大器不稳定，设计的不合理可能会使一个放大器变成振荡器。功率放

39、大器的不稳定性导致不希望有的寄生振荡，使输出信号失真，甚至烧毁功率管。因此，在设计放大器时，一定要分析放大器是无条件稳定还是潜在不稳定。放大器达到无条件稳定的充分必要条件是 （3-6） （3-7）当放大器达到无条件稳定时，其转换功率增益为： （3-8）式中，pl为传输给负载的平均功率；pa为信号源输出的资用功率；和分别为信号源和负载的反射系数。当信号源与负载同时共轭匹配时，匹配信号源和匹配负载的反射系数为： （3-9） （3-10）式中， 。当bj0时取负号，当bj0 (j=1,2)时取正号。由此可求得匹配信号源和匹配负载阻抗：放大器共轭匹配时，微波晶体管的输入输出阻抗分别为和。当存在不稳定区

40、时，设计放大器可有两种方法：（1）避开并远离不稳定区，仍能使输入端口（或输出端口）稳定；（2）如果不稳定区内的某值使，但只要在输入端口所接能满足，则仍然可以使之稳定。同理，如果不稳定区内某使，但如果能满足，则电路仍然不会起振。如图3-1所示,给出了一般的单级功率放大器结构图和参数定义，通过s参数可以判定功率放大器的稳定性。其物理实质是端接负载zs中的正阻成分只要大于端口输入阻抗zin中的负阻成分，则电路不会起振。图3-5 潜在不稳定情况下的设计以上两种办法一般取第（1）种。这两种办法虽能使放大器仍能稳定工作，但包含着不稳定因素。如果端接负载有所变化，可能就会发生振荡，因此称为有条件稳定或潜在不

41、稳定。由于晶体管输入、输出端互有影响，因此设计时要保证在、两个平面上同时都避开不稳定区。在具体设计步骤中如果先避开输出平面上的不稳定区，根据指标要求选择了某个值，而与有关，因此根据输入端口匹配要求选择的将与有关。必须检验该值是否也避开了输入平面上的不稳定区。如果设计步骤先选择，情况类似。3.4.2 噪声系数圆稳定性保证后，噪声系数也是放大器设计任务的一个重要考虑内容。微波晶体管的噪声系数可用下式进行表述 （3-11）式中是晶体管的最小噪声系数，是获得时的源反射系数，是晶体管的等噪声电阻。是任意的源反射系数。f对应于这个源反射系数的晶体管的噪声系数。在（3-11）中，为已知数，一般情况下可以通过

42、调整来改变噪声系数。 为了将特定的噪声系数与联系起来，将（3-11）改写成 （3-12） 等式的右侧已经具有圆方程的形式。引入常数为： （3-13） 并重新整理（3-15）式 （3-14）根据以上各式可以得出：当时，可以达到最小噪声系数。所有等噪声系数圆的圆心都落在远点与的连线上。噪声系数越大，则圆心距离远点越近而且圆半径越大。3.4.3 放大器的功率增益分析 在微波晶体管放大器的分析和设计中，根据不同的目的和要求，常常到转换功率增益，功率增益。下面就分析如何用微波晶体管的s参数来分别表示这些功率增益。 转换功率增益，就是插入在信号源与负载之间的放大器的增益： （3-15） 功率增益，是负载吸

43、收功率与放大器输入功率的比值： （3-16） 参照图2-3，可把图2-3中的s参量部分的方框看做fet的s参数，对放大器进行分析，可知负载吸收的功率为： （3-17）信源的资用功率为： （3-18）由此可以得到放大器的转化功率增益 （3-19）又因为 所以 （3-20） （3-21）对上式联立求解，可得： （3-22）其中 当满足绝对稳定（3-9）式时，均为正。式（3-25）中的根号取负号。当晶体管的稳定性是有条件稳定时，不能用输入输出同时共轭匹配的方法设计，而应该先做出稳定圆，确定稳定区，然后用等功率增益圆设计。 为了单独分析和的影响，采用功率增益进行分析，功率增益的定义如式（3-19），表

44、示式是 （3-23）式中 （3-24）令g0为常数，它代表的是平面上的一个圆，其圆心和半径分别是： （3-25）式中k为（3-9）式的稳定因子,。给定功率增益g的值，用式（3-27）计算出g0，然后按式（3-28）的圆心位置和半径在smith圆上作圆，就可得出平面上的等g圆，凡此圆上的都可获得相同的g值。3.5 微波放大器的匹配设计微波放大器与常规的低频电路的设计方法完全不一样，它需要考虑一些特殊的因素。尤其是入射电压波和入射电流波都必须与有源器件良好的匹配，以便降低电压驻波比，避免寄生振荡，正由于这个原因，稳定性分析通常被作为射频放大器工作的第一个步骤，稳定性分析以及增益圆，噪声系数圆都是放大器电路设计所必须的基本要素，然后根据这些要素才能设计出符合增益，增益平坦度，输出功率等要求的放大器。用smith圆图进行匹配网络的设计在微波电路里smith圆图得到广泛的应用，用它可以对电路阻抗的分析，匹配网络的设计及噪声系数，增益，环路稳定性，驻波比等。smith圆图由反射系数圆族，等电阻圆族，等电抗圆族，反射系数和驻波系数在圆图上也有一一对应。在微波电路设计中，匹配网络是很重要的，直接关系到减小功率损耗，减少噪声干扰，提高功率容量和提高频率响应的线性度等。工程设计所追求的两个主要目标盘：第一是满足系统要求，第二是采用最低的成本和最可靠的方法实现第一目标。成本低且可靠性高的匹