微波通信微波放大器的设计讲解

贞脚.贞脚.微波通信课程设计说明书微波低噪声放大器的设计起止日期： 年—月—日至—年—月—日TOC\o"1-5"\h\z学 生班 级学 号成 绩指导教师（签字）年月曰课题名称微波放大器的设计人数组 长同组人员一、%t计目的了解射频放大器的基本原理与设计方法。利用实验模组实际测量以了解放大器的特性。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、 设计任务主要容：1、 了解射频放大器的基本原理与设计方法。2、 利用实验模组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。主要任务：双边放大器设计。单边放大器设计。3、 单边设计评价因子。4、 放大器的稳定条件。三、 设计工作量2周完成1、 了解射频放大器的基本原理与设计方法。2、 利用实验模组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。目录TOC\o"1-5"\h\z一、 设计原理 1二、 设计设备 4三、 设计步骤 4四、 设计结果及分析 5五、 软件仿真 7六、 总结体会 13输入

匹配电二端口

有源电路输入

匹配电二端口

有源电路微波放大器的设计一、设计原理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釆用无源电路，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，则可有单向设讣及双边设计两种。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。rs=rin*输出

匹配电

路fout=rL图1放大器电路方框图1•单边放大器设计（UnilateralAmplifierDesign）所谓单边设计即是忽略有源器件S参数中的Sg即是S/0。此时可得:则放大器之单边转换增益（UnilateralTransducerGain,Gn）为:假若电路乂符合下列匹配条件：rs=sxl*及rL=Sa*则可得到此放大器电路之最大单边转换增益（MaximumUnilaterla

TransducerGain,Gtv.Q:9TransducerGain,Gtv.Q:912•双边放大器设计(B订ateralAmplifierDseign)双边设讣即是考虑有源器件S参数中的Sq即是此时可得:及^OUT=及^OUT=S?2=S22+S12s21rs若利用最大增益匹配法（亦称共轨阻抗匹配法），则可得F3=「DC*及FL=FOVT*经过推导可利用下列公式计算出最佳输入反射系数「'和最佳输岀反射系数可.0±\可.0±\殍-4.|吋其中〃严1+|几『-懊2|'-|甘场=1-|几|2+%|2-|皆G= 1-A•S22C2=522-A-S^△=SnSg—S12S213•单边设计评价因子(UnilateralFigureofMerit,M)在判断有源元件是否适用单边设讣时，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：（1—|S』）.（1—區2『）最大增益误差比则为：1<^.<1

（1+M）'G"（1-M）'

csl-rs<bSj〈1或cL|-rL<1,S=<1（A）输出稳定圆(LoadStabilityCircle)：而条件稳定则是圆心(B)输入稳定圆(SourceStabilityCircle)：设计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放大器模组1组RF2KM7-1A350QB\C及1MQBNC连接线4条4直流电源连接线1条DC-15MICROWAVE软件1套微波软件三、设计步骤步骤一：设定放大器工件频率（f。）与输出入阻抗（Rs,&）。一般射频放大器的输出入阻抗设定为50Q。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（VCH,Ic），决定出在该条件下的三极管的S参数（Sh,S：1,12,Sh）,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最大单边转换增益，Gnz输入稳定圆的圆心，Cs及半径，rs输出稳定圆的圆心，G及半径，rL最佳输入反射系数rSa最佳输出反射系数r,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11-2）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「S二S11*及「L二Sh*最大增益即为Ge.运（2） 若M值大于0.03（-15dB）则须用双边设计，可得rs=rSn及「讥最大增益即为步骤六：利用步骤五所得匚及设计输出入匹配电路。四、设计结果及分析利用ATF-35143设计一2000MHz放大器。其中电源为5VDC,输出入阻抗为50QoATF-35143的S参表(VK=2V,1^=10mA,Zo二50Q,TA=25°C)如下表:Freqency(GHz)SxxSexs1=Mag.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.RFparametersmeasuredinatestcircuitforatypicaldevice

SymbolSaturatedDrainCurrentUnitsMin.Typ.MaxIdssPinchoffVoltageVDS=1.5VVGS=0VmA406580VPQuiescentBiasCurrentVDS=1.5VJds=10%IdssV-1-0.5-0.4IdTransconductanceVGS=0.45V.VDS=2VmA15gmGatetoDrainCurrentVDS=1.5Vgm=Idss/VPmmho90120IGDOGateLeakageCurrentVGD=5VuA250IgssVGD=VGS=-4VmA10150f=2GHzVDS=2VIDS=15mA0.4NFNoiseFigure[3]VDS=2VIDS=5mAdB0.5f=900MHzVDS=2VIDS=15mA0.3VDS=2V.IDS=5mAdB0.4f=2GHzVDS=2VIDS=15mA16.51819.5GaAssociatedGain[3]VDS=2V.IDS=5mAdB141618f=900MHzVDS=2VJDS=15mA20VDS=2V.IDS=5mAdB18f=2GHzVDS=2V,IDS=15mA21OIP3Output3rdOrderVDS=2V.IDS=5mAdB14InterceptPointf=900MHzVDS=2VJDS=15mA19VDS=2V.IDS=5mAdB14f=2GHzVDS=2V,IDS=15mA10PldB1dBCompressedVDS=2V.IDS=5mAdB8InterceptPointf=900MHzVDS=2VIDS=15mA9VDS=2V.IDS=5mAdB9设计结果分析:经公式计算结果，有源器件的K值在工件频率上大于1,为无条件稳定。此结果也可山输出输入稳定圆来验证。输入稳定圆的圆心距离大小］cs=2.675,大于其半径大小"二1.644,输岀稳定圆的圆心距离大小|cd=4.123,也大于其半径大小rL=3.085,故可证得为无条件稳定。而计算所得单边设计评价因子M=0.08>0.03,所以不可以用单边设计,而须采用双边设计。经双边设计计算公式，可得：最佳输入反射系数rsFO.821J172.6°最佳输出反射系数ru=0.787J41.20最大转换增益 Gz二20.821dBo本例中最佳输入反射系数和最佳输出反射系数经匹配F。，再加入偏压电路后，可得该放大器电路及模拟结果。五、软件仿真1、 进入微波软件MICROWAVEo2、 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、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，接着是相应的仿真图。图3模拟结果

仿真过程：使用AnsoftDesignerSV笫一步：建立电路图（工程f插入电路设计一空白）第二步：添加衬底信息（电路f加入模型数据f加入衬底定义）电介质金属化材料电阻厚度单位H:20milEr:3.38TAND:0.0021(2.4GHz)铜1.724140.669mil（千分之一英寸）第三步：添加BFP540（画图一N—节点）第四步：设定仿真频率围（电路一添加分析设置）第五步：执行仿真（电路f分析）笫六步：确定仿真结果（电路一报告）笫七步：稳定性校验（电路f史密斯工具）第八步：稳定性：在晶体管输岀端口连接平行电阻器第九步：执行仿真（电路f分析）第十步：稳定性校验（电路f史密斯工具）

笫十一步：选择功率反射系数（电路f史密斯工具）:Ga=ll.8dB,NF=1.33CircleF.=0.31^142第十二步：设计输入匹配电路（电路一史密斯工具一匹配符）O^u• >o\q«a £：・第十三步：确定负载反射系数第十四步：设计输岀匹配电路（电路f史密斯工具f匹配符）•***冷■咸■①第十五步：完成电路第十六步：执行仿真（电路f分析）第十七步：确定仿真结果（电路f报告）最终仿真结果增益11.93dBNF（噪声系数）1.53dB输入回波损耗12.6dB输出回波损耗18.6dB4、布局图□=□D=n=oc =（_> （_> 匚 p匚六、总结体会这次课程设计，总体来说让我懂得很多知识，受益匪浅。首先动手实践比理论课更具趣味性，同时更具挑战性。再者让我对“实践是检验真理的唯一标准”这句话乂有了进一步的理解。理论是实践的基础，实践是检验真理的唯一标准，不懂理论进行实验对我们学习是没有作用的。本次课程设计，我进一步理解了课堂上老师所讲的知识，同时学到了一些书本以外的知识。此外，我发现理论知识也非常重要，首先要了解熟悉微波低噪声放大器原理和微波低噪声放大器设汁相关理论知识。然后了解射频放大器的基本原理与设计方法，利用实验模组实际测疑以了解放大器的特性以及学会使用微波软件对射频放大器的设汁和仿真，并分析结果。通过本次课程设计，我对射频放大器的基本原理、微波低噪声放大器的设讣的理解进一步巩固和加深了，提高了综合运用本课程所学知识的能力；培养了我选用参考书，查阅手册及文献资料的能力；培养了我独立思考，深入研究，分析问题、解决问题的能力；培养了我严肃认真的工作作风，逐步建立正确的生产观念、经济观念和全局观念。课程设讣是把我们所学的理论知识进行系统的总结并应用于实践的良好机会，有利于加强我们用知识理论来分析实际问题的能力，进而加强了我们对知识认识的实践度，巩固了我们的理论知识，深化了对知识的认识，并为走向社会打下一个良好的基础。过程中也遇到许多问题和麻烦，在得到老师的指导和同学的帮助下，较顺利地进行了本次课程设计。此外，一个团队分