试验六射频放大器的设计

1、实验六 射频放大器的设计、仿真和测试一、实验目的1、了解描述射频放大器的主要性能参数及类型2、掌握放大器偏置电路设计方法3、了解最小噪声、最大增益放大器的基本设计方法4、掌握放大器输入、输出网络的基本结构类型5、掌握用ADS进行放大器仿真的方法与步骤二、实验原理常用的微波晶体管放大器有低噪声放大器、宽带放大器和功率放大器。目的 是提高信号的功率和幅度。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的 微弱信号，减小噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据。 功率放大器一般在 系统的输出级，为天线提供辐射信号。微波低噪声放大器的主要技术指标有：噪声系数与噪声温度、功率增益、增 益平坦度、工作频带、动

2、态范围、输入输出端口驻波和反射损耗、稳定性、1dB压缩点。1、二端口网络的功率与功率增益及主要指标Zsr$ rin. Pinr呵 r l, pl送到网络的平均功率1_£皿送到负载的平均功率Input tiKilchin<s circuitiTr;iiisistor M G)1Output matchhig circuit©Cnoutll2 H-FjI2(1- iruP)两11 一恥口鬥1 一珂信号源的资用功率P厂P max = Rn几現Pan = Rl max = Rl 恥匚曲2(1-耐)实际功率增益转换功率增益资用功率增益G =旦2.2Rn I1(1-|几| )1-

3、|Fs|2G Pl / Pa =曲1豊S212(V-s2)1 - - s- in |Gavs = Pan/Pa=fT&：sl2i-=GsGoGlout2. 放大器的稳定性无条件稳定：不管源阻抗和负载阻抗如何，放大器输入输出端反射系数的模都小 于1,网络无条件稳定（绝对稳定）条件稳定：在某些范围源阻抗和负载阻抗内，放大器输入输出反射系数的模小于1，网络条件稳定（潜在不稳定）由于放大器件内部S12产生的负反馈导致放大器工作不稳定！稳定性设计是 设计放大器时首要考虑的问题。匹配网络与频率有关；稳定性与频率相关；可能 情况是设计的频率稳定而其他频率不稳定。无条件稳定的充分必要条件：稳定性系数

4、Kr US2S21L.G = Si + <11-S22L2 2outoS2S1FS=S22 十1S1s:12 2 21 屮I -|Sn| -IS22Iiij> 心 = S11S22 - S12S21 < 1 2| S| S21I输入、输出稳定性圆（条件稳定）:|in|=1或 r out|=1在Smith圆图上的轨迹 输出稳定性圆判别该输出稳定性区域？稳定圆不包含匹配点S2Sz1Lin=U1111-S11E1 - Sz2L，几=0= T-n = S)1|S11|<1时：|r i n|<1，稳定，匹配点在稳定区|S11|>1时： r i n|>1，不稳定，

5、匹配点在不稳定区输入稳定性圆（条件稳定）Tout = * +J = 1 > input stability circle |r& CI 二1-耳兀3. 最大增益放大器设计（共轭匹配）源和负载与晶体管之间达到共轭匹配时，可实现最大增益B1 -B122-4GB2 二 B； '4C222C12C2GT maxS12（K -2K -1）B! ± Jb； 4匚B2B2 4 C22C12LB1 = 1 + 色1 - S22C1 = S11 -八 S22单向情况：GTUmaxB2C22 S212C22=1 " I S22=§2 - '= Sn117

6、S21S 最大变换功率增益也称匹配增益 1条件稳定 源与负载不能同时共轭匹配无条件稳定GtTmax4.低噪声放大器设计-放大器的噪声系数圆 源导纳为Ys=Gs+Bs时，其噪声系数为：FminF 二 Fmin (GsGopt)2 (Bs Bopt)2GsFmin:为最小噪声系数；Yopt=Gopt+Bopt:最佳源导纳，Rn:为等效噪声电阻。通过 调节Ys可达到最小噪声系数丫。1- s1-s1 opt1 opt24Rns -opt22_Zo（1 +opt ）（1-s ）4 Rn2"Zo（1+opt ）对于给定的噪声系数(噪声参量 N)。则可定义等噪声系数圆Cf optN 1Rf 二噪声

7、系数F-等噪声系数圆 圆心在原点与r op的连线上 Fmin是个点，其坐标为 r opt 半径越大，噪声越大（N（N +1poj）N 1讨论：圆心位于沿S；、s；2幅角的直线上最大增益(gS=1, gL=1 )半径为零，圆心变为 OdB增益圆总是通过 Smith圆图的中心根据总增益的值确定gS和gL，得到输入输出 节的等增益圆，在等增益圆上选择 rS和rL 权衡反射系数、噪声系数和稳定性6.宽带晶体管放大器设计增加带宽的常用方法： 补偿匹配网络一一输入输出网络复杂 电阻性匹配网络 一一增益降低、噪声变大 负反馈 增益和噪声均恶化 平衡放大器直流供电功率翻倍 分布放大器一一电路庞大，增益较低基本

8、原理：利用90度混合网络消除来自两个放大器的输入、输出反射信号; 7.匹配网络并联导纳或串联阻抗的匹配网络，入/4阻抗变换器的匹配网络三、实验内容及步骤I、用ATF-34143设计2.4GHz低噪声放大器。1、晶体管直流工作点分析 建新工程一建立新设计 查询需要的晶体管。点击，打开元件库-Analsg/RF Librari«-s Froj ects 如!疔饪 Parti LibraryBL«ck T«ct FcrIe七陋 Diode Libriry34143S&ichC»poTienitDATF34I43 FKEWT (FstudphtAt :

9、VtfSTl(k2iD«IDFxMP_hp_ATL誕 I43_2_l MW 129ph»t. Vds3V 工t=20*i MtfeswuAtnt But4 9iT Pfc+a* Micrifflivt Trwsii：twr Li +； RF Fassive 30T Li/brir RF Trans nt ar Li hr ary£P_hp_ATFT4143_3_l 的90129. Vdi3V Id=40«ip_kp_ATF-S4143_4_1 舶 901 第ph*忙 Vdx4V 1=40*MP_hp_ATF-SA H3_5SMO129pht*£

10、: V4s丸 S Ftr tneltr Librur Q!o*b fc Syltw Libruryt CoMponent Library口sp为开头的是S参 数模型选择ph开头的模 型，将晶体管拖入 原理图窗口，放入 晶体管 根据Datasheet设置相关参数、连线、仿真FET Curw TracerGateDrainSIM1VGS_start=-0.6VGS_stop=0.6VGS_points=11VD$3tart=0VDS_stop=6.0VDS_pDint&=41區j DiplayTemplatedisptemplph_hp_ATF34lit3_199W129 ”DC_FET

11、X1 仿真，得到直流工作点2、晶体管偏置电路设计新建一设计在【Transistor Bias】元件库中找到相应的库中找到电源V_DC，连接并设置参数MOS 管，在【Sources-Freq DesignDA_FETBias_bi a s_Cinc uitDA_FETBias1 evice7ype= NF ET Vds=5Vld=10 mAVdd=6 V Vt=-1 VK=1e-2Vgs-V_C)CtL SRC1-=-Vdc=1.0 VphLhp_TF34143_1S990129X1_执行命令【DesignGuide】【Amplifer 】【Tools】【Transistor Bias Util

12、ity 】 f【OK】，在弹出的窗口中选择【Resistive Networks【Bias Point Selection 选择最优偏置点：重新设置偏置参数在【Resistive Networks】中将Vdss改为3, Id改为20，点【Design】Ue arrets to soiol and select desired inelcdkFracton of DC Pmai Canumad in 丘日1 皀(ODOO<iPfl< 1 0001flahD dI SaLMCB bo Vckape 010<VR < D.5p 斗 一n曹Iwork卡OK在原理图中执行Canc

13、isl |生成偏置电路，执行退出3、稳定性分析查看稳定系数曲线 新建一设计，加入sp模型的晶体管, 建立如下原理图插入稳定系数控件、最大增益控件仿真5lBbF«Kt1Slab Factl =stab_1acl(£)l&ffti T&E112 Num >-2 Z-50CtwL LHErn妥rasfreq, GHzLB芒嚅那freq, GHi K<1，解决办法：在源级加小电感抑制负反馈 调整后，增益、稳定性都变好了1=800 mOhmiR2R=9O,0 OhmRR4150 OhmDC_Fe*d DC FeeoiX.BIockDC BlockltlL=

14、0 创 UHR= 100 mQhmrV/V RR1R=8CX) mOhmVWy-RRIr4R»i50 Cum =i=900 Ohm-k V_DC4 SRC1 ：¥dc=6 VTl c. C3 C=4.0 pFL2L=4.Q UHR=L3L=22J> HH C4R-C=4 0 pFC1> Term C» 22,0 pF< 1bnnlNumB1可 Zs&OOimCC2C=22.Q pFsp_tip_ATF-3413_2_19990129 SNP1尺3Sias="phemt Vds=3V ld=2QmA'R-lOOmOnm F

15、requency-050 16.DO GHzhtlL=G.B5 UH> le<TTi2 < Num=25 Z50 dim口$p hp_ATF-34143_；3NP1BiHS=!BphEnit Vds=3Fraquancy="0i.5<l - 替换理想扼流电感和隔直电容；增加旁路电容4、输入网络设计 加入噪声系数的仿真双击S-PARAMETERS 点. Simulit i &ASF&ram 在输出窗口观察输入阻抗 Zin1 在查看Zin1时，格式选择imag， 在数据窗口点击卵|添加下面内容中的real。，放置输入阻抗测试控件一仿真indx=fi

16、nd_index(SP.freq,indep(m3)Nscircle=ns_circle(NFminindx+0,0.02,0.05,0.1,NFminindx,Soptindx,Rnindx/50,51)GaCircle=ga_circle(Sindx,MaxGain1indx-0,0.5,0.8,1.5,2,51)在数据窗口点击 一,Plot Traces & Attributes： 12选择宀"is （'irriiit kd"hinq*元件库，建立原理图:MSub-MSUBMSublH=1 mm Er=4B6Mur=1Cd nd=5-®8E+

17、7Hu=1B0e+033 mmT=0.035miriTanD-0Rough=0 mi-VA-RR1R=SOOmOhmTl cC3C=4.0pFL2L=4.0 nHR=L3L=22.0 nHR =尺.R4R=1&OOhmT V_DC+ SRC1 Vdc=6Vc C4C.OpFTfetm Terrnl Num*1Z=50OhmTlcC1C二22.0 pFA_SSMiartch_sp_miOd 创DA_SSMatch1 SubstMSubT* .F=2.4 GHlZiii" 50 OhrtlZload=(53a374-jfc2.757) OhmZ£tuib=50 OhmZ

18、line=50 OfimDelta-0 mmL * tlL=0.65nHC C2C=22.0pFQspj p_ATF-!4143_2_150SO129 SNP1R3Bias'phemt: Vds=3V W=2QmA'尺=10口 m Ohm Frequ encjF_p.5O - 10.00 GH e”Term-1 Term 2 Num-2 7=50 01 【DesignGuide】【Passive Circuit【Microstrip Control Window 】 在原理图点击，查看自动生成的匹配网络。点击 跳出。5、输出网络设计放置分支线，并设置500hm线宽设置TL1、T

19、L2、TL3的支线长度取值（240mm）pTjSWF0 nH-MTEE_ftO& feel SUt)St=TWSUtH- W1 =1.852 mm W2 =1.052 mm W3=1.S52rlfim'-d IKIMTL13 网 n&uuTW=1.£52rnniMLIN -TL2Sub&t="MSub1H W=L852mm. L=J S mm 0.'a MLEf . TL3S4jbSl="MSyb1"W=1 mm-i- L二2 S= mm 也yiTtn '2 we=?7 1 pl-'打C2C=22

20、0pFlaimj hiunl=2Z=50 Ofinni设置优化方式和优化目标，进行优化GOAL|GOAL goalTl GmI-GqI.OptirnlOplrnGaallQptimrGDal2ptimGoalSOWimlype-RndornEKpr-'dB(S(1ExpR-dBfSJ)"ExpR"dE(S<2,2)-Si rTJfifitar1CtNarf»i"SPrSiinris-tntme =rSP 1"SinirisiahttNamtSPVDesredError=D.O ' Mrn=13 Min=-StartosLe

21、veJ=l5* Mg.9(=-M sx-151-Fin alAnaysis=,TNoFieH -WeighC= WEight=-. Weigh 匸Norma lizeGoml 5= noRangeVarllJ-Treq"RangeVar1-"freqrRangeVar1|=Hfreq -SetB«tralues=¥&sRar)oeMinl1=2 39 GHzRangeiMin|l)=2.M GH；Rari0eMinlj=2.39 GHzSe«J=RangeMaxi=2 盯 GzRange<Ma41|=3.4l GHzRang 諒肩

22、 1)=2.41 GHzSave&Dlns=yesII、微带天线特性测量(15 点)1、用矢网测量自己制作的微带天线的驻波和阻抗并确定中心频率2、将自己制作的微带天线接频谱分析仪，如下设置:迷2.45GHz幅度频宽50MHz视频平均【开】参考电平【-艸dBm】幅度刻度使波形显示合适调整接收天线与发射天线的相对位置关系，观察记录频谱仪测量的信 度，分析幅度变化的原因。i=r7峰值幅频标谨值频标今中心四、实验结果1、输入网络噪声系数的仿真结果m8indep(m8)= 39GaCircle=0.013 / 26.959 gain=13.014211 impedance = Z0 * (1.0

23、23 + j0.012)m6indep(m6)= 51GaCircle=0.708 / 93.876 gain=13.814211 impedance = Z0 * (0.313 + j0.884)m7indep(m7)= 51Nscircle=0.222 / 4.104ns figure=0.318468 impedance = Z0 * (1.568 + j0.052)最小噪声阻抗：Z0X(1.568+j0.052)=78.4+ j >2.6 均衡阻抗：Z0X(1.023+ j0.012)=51.15+j 0>最大增益阻抗：Z0X(0.313+j0.884)=15.65+j 4

24、42最小反射阻抗：53.374 +j X.757 I 1 I 1 I 1 I 12.02.22.42.62.83.0freq, GHz输入端匹配良好，但输出端匹配不好2、输出网络设计仿真结果最小反射仿真结果（阻抗：53.374 +jX 2.757 ）m9m9freq= 2.400GHz dB(S(2,1)=12.319m10freq= 2.400GHz dB(S(2,2)=-7.664milfreq= 2.400GHzdB(S(1,1)=-18.810DA_SSMatchodellDAlsSMatchl"Subs'MSubTF二£4 GHzZin=50 Ohmm10

25、freq-2.40DGHz _<3B(S(1_1)>d5.195o D D D D1 12 3m9dB(S(2.1)=13.031o&o-D45i-7m11freq=2.400GHz nf(2)=0354freq, GHz3、微带天线特性测量结果根据矢量网络分析仪测得所设计天线性能指标对天线进行修正，最终尺寸为：W=45.3mm,L=38mm,w1=1mm,l=21.2mm，与理论计算值之间存在误差 测得所设计天线参数：中心频率：2.44GHz,驻波比：1.358dB,阻抗：59.307欧（实），-7.264欧（虚）， 对数幅度：-17.424dB频率/GHz驻波比/dB对数幅度/dB阻抗（实部）阻抗（虚部）2.159.984-0.3091.287-10.4622.1550.984-0.3411.448-6.5252.241.024-0.4121.678-2.4782.2530.354-0.5432.1562.0032.319.782-0.8313.3033.7042.3510.1