《《基于ADS软件的微波功率放大器的设计与仿真》-公开DOC·毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《基于ADS软件的微波功率放大器的设计与仿真》-公开DOC·毕业论文（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于ADS软件的微波功率放大器的设计与仿真第一章 绪论 1.1微波功率放大器的应用与归类自从人们利用电磁波来传递信息以来，频率低端资源已经得到了较充分的开发，剩余空间很小；另一方面，频率高端具有一些频率低端无法比拟或无法实现的特点或优点，比如微波、毫米波能够穿透地球大气电离层，实现航天通信，所以开发频率高端具有现实意义。频率高端中的微波是目前应用的重点。这导致了微波有源电路研制的繁荣。在几乎所有的微波系统中，都离不开对信号的放大，所以微波放大器在有源电路中占据了突出的位置。微波功率放大器在微波领域应用比较广泛，比如在雷达、通信、导航、卫星地面站、电子对抗设备中都需要它。如在有源相控阵雷达中，微
2、波功率放大器就扮演着重要的角色。有源相控阵雷达的重要组成部分是T/R组件，T/R组件是系统成本高低的决定性因素之一，其性能的好坏将影响相控阵雷达系统的发现能力、作用距离等技战术指标。在T/R组件的设计中一方面要求有高功率，同时还要求体积小、重量轻，可靠性高、成本低等。微波功率放大器作为T/R组件的重要组成部分，直接决定上述技术参数：微波功率放大器还能制成固态发射机，用于导弹寻的头雷达；在通信中，微波功率放大器广泛用于小功率或低数据率终端；在电子战中微被功放可制成有源诱饵，避免飞机被导弹攻击。总之，在需要对微波信号进行功率放大的设备组成中都离不开微波功率放大器。微波放大器分为微波小信号放大器和微
3、波功率放大器。他们本质上都是对信号进行放大但侧重点不同：微波小信号放大器的输入信号幅值很小，输出功率也很小，小于毫瓦级，而单管微波晶体管功放输出功率可达几百毫瓦或瓦极以上。功放指标除满足一定的增益、驻波比，频带外，突出的要求是提高输出功率、效率及减小失真。微波放大电路的核心是微波晶体管。他包括微波双极晶体管、肖特基势垒栅场效应晶体管(GaAs MEs FET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、和异质结取极晶体管(HBT)。一股情况下，双极晶体管用在6GHz以下的微波频率，因为在此频段低端，GaAs FET不易实现匹配，而其噪声系数仅比双极晶体管改善0.2-0.3dB。在毫米波频段主要使用HEM
4、T和HBT。微波晶体管和微带线相结合便构成了微波放大器的主干。再加上偏置电路和其他一些辅助电路就成为微波混合集成电路(HMIC)。按照微波功率放大器级联的个数的不同可以分为：单级功率放大器及多级功率放大器。单级功率放大器就是放大电路中只有一个功率管；多级功率放大器是两个以上单级功率放大器串接在一起，他们的级间进行相应的连接，优点是可提高增益平坦度，但其结构随级数的增加变得比较复杂。在功率管的有效工作范围内，级数越多，输出功率越大，但在很多情况下需要将较小功率组合成更大输出功率的方法，不是使用单端级联方法，而是使用功率合成技术。根据电路形式的不同，微波功率放大器可以分为平衡式帮非平衡式。非平衡式
5、放大器的电路结构比较简单，前者多用于功率较小的驱动级，后者多用在大率输出级中。平衡式放大器的优点是具有低的输入输出电压驻波比、各放大级很容易级联起来、级间有很好的隔离、晶体管阻抗特性变化时对整个放大器的增益和匹配状态影响较小，缺点是结构比较复杂。针对不同的工作频带可分为窄带放大器和宽带放大器。当频带为培频程以上的放大器称为宽带放大器，当频带为多倍频程以上时称为超宽带放大器。对于频率很高的功率放大器，频带很难做宽，有时百分之三十到百分之五十的频带也称为宽带功率放大器。与之相反的就是窄带放大器。微波功率放大器的发展象许多其他技术设备的发展经历一样是伴随着材料和器件的发展而发展。二十世纪六十年代以前
6、，微波功放还是由真空管、波导等器件组成。六十年代，微波领域出现了较大的技术变革：一是研究出了许多微波固态有源器件；二是微波平面传输线的深入研究和实用化。这一切导致了微波混合集成电路(HMIC)的出现，七十年代，随着半导体器件性能提告、成本的降低，HMIC开始走向成熟，尤其是砷化镓的优良特性，更加促进了HMIC的发展，由于HMIC的微波功放具有频带宽、相位线性度好、供电简单、体积小、重量轻等优点，使之成为微波功放设计形式的主流。1.2 微波器件介绍目前国内外的HMIC微波晶体管功率放大器主要包括硅双极型晶体管(BJT)功率放大器、硅金属氧化物场效应管(MOSFET)功率放大器和砷化镓金属半导体场
7、效应管(MESFET)功率放大器。BJT功率放大器的连续输出波高达250W以上(05GHz单管放大)。脉冲功率已高达1000W(1GHz短脉冲单管放大)：场效应管功率放大器的连续波单管输密功率在O5GHz时达到150W以上，在15GHz时也达到50W；MESFET功率放大器单管连续波输出功率已达到25W，其工作频段3.7-4.2GHz5.9-6.4GHz，最高工作频率可高达18GHz，连续波单管输出功率可达到1W左右。近二十年来，随着半导体材料及工艺的发展，以及计算机辅助设计技术的成熟，使得单片微波集成电路(MMIC)成为微波电路领域内的研究热点，这其中当然也包括微波功率放大器的MMIC。它适
8、宜的工作频段是厘米波的高端南至毫米波段。它具有体积小、重量轻、高可靠性、频带宽等特点。在MMIC发展的过程中，人们对电路的要求有进一步提高，体积小、重量轻等特点已不能满足需要，更需要的是电路要兼有高速度、高性能、高可靠和多功能。此时的集成电路设计技术以及计算机仿真技术已经取得进一步发展，这一切就催生了多芯片组件技(MCM)。它将2个以上的大规模集成电路裸芯片和其它微型元器件互连组装在同块高密谋、高层基板上，并封装在同一管壳内构成功能齐全、质量可靠的电子组件。目前国外已相关产品出现，但由于条件限制，国内对此研究相对滞后。1.3射频和微波电路设计仿真软件简介 由于微波电路的参数计算十分复杂，需要考
9、虑到的因素众多，而且很多计算参数的公式只能作为参考，一些设计往往需要有经验的工程师来估计参数，如果只用人力来计算设计的话，将会十分麻烦而且不容易得出最理想的结果，因此一些设计软件就应运而生。一些常用的软件有：ADS，AWR MICROWAVE OFFICE，ANSOFT DESIGNER，CST，ANSOFT HFSS等。 本文设计使用的是美国安捷伦（Agilent）公司开发的ADS（Advanced Design System）软件，是当前射频和微波电路设计的首选工程软件，可以支持从模块到系统的设计，能够完成射频电路和微波电路设计、通信系统设计、射频集成电路（RFIC）设计和数字信号处理（D
10、SP）设计。该软件功能强大，仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频率、数字和模拟、线性和非线性、电磁和数字信号处理等多种仿真手段，并可对设计结果进行成品率分析和优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是当今业界最流行的射频和微波电路、系统设计工具，并在国内高校、科研院所和大型IT公司中逐渐推广使用，是非常值得学习的软件。ADS软件支持所有类型射频电路设计，包括时域电路设计、频域电路设计、电路布局设计和通信系统设计，同时提供各种电路的时域仿真分析、频域仿真分析和电磁仿真分析，并可以与其他EDA软件进行连接第二章 微波放大器的基本原理在微波放大器的设计中，从原则上讲都是希望提高放大器的增益。为使放大
11、器能可靠地工作防止自激也是设计成败的关键所在。所以增益和稳定性在放大器的没计中都是着重需要考虑的问题，这两个问题都有普遍意义。噪声在微波放大器的设计中是力求避免的，尽管在有的放大器的设计中不是主要考虑的技术参数，但也是性能优良为上，是放大器设计中值得重视的问题。微波放大器设计都要设计输入、输出匹配电路，所以在本章后面对输入、输也匹配网络的几种主要形式进行了研究。2.1微波功率放大器的增益 微波放大器增益包括实际功率增益、资用功率增益、传输功率增益。增益中的参数在晶体管这个二端口网络中的含义如图2-l所示。(1) 实际功率增益其中PL是负载吸收功率，即实际到达负载的功率，Pin是送进微波放大器输
12、入端的功率，是负载反射系数，S11、S22、S12、S2l是功率管的S参数，以下相同。从中可见实际功率增益只与功率管S参数和负载阻抗有关，而与输入端口的匹配程度无关。应用式(2-1)便于研究负载变化对功率放大器的影响。(2) 资用功率 PLa是放大器的输出资用功率，即在放大器的匹配负载上能够获得的功率，也是放大器在信源阻抗下的最大输出功率值。Pn是信源的资用功率，即信源的最大输出功率。是源反射系数。可见资用功率增益只与晶体管S参数和信源阻抗有关，而与输出端口的匹配程度无关。应用式(2-2)便于研究信源阻抗变化对放大器功率增益的影响。Ga的物理意义是：插入放大器后负载可能得到的最大功率是无放大器
13、时可能得到的最大功率的多少倍。而实际放大器在输入、输出端不见得是共扼匹配的。Ga只是表示放大器功率增益的一种潜力。当在输入端口满足共扼匹配时，Ga达到最大值。(3) 传输功率增益上式体现了正向传输、输入匹配程度、输出匹配程度以及反馈等因素对增益GT所起的作用。GT的物理意义为：插入放大器后负载实际得到的功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍。三种功率增益有如下关系：式中的M1，M2分别为输入端和输出端的失配系数。可证明：因此，三个功率增益中若已知其中一个，既可知另外两个。一般情况下，M11，M2l，表示两个端口都偏离共扼匹配，所以GTG GTGa当共扼匹配时，M1=M2=1，此时由以上分析
14、可知G值只与输出端匹配程度有关，而与输入端匹配程度无关。Ga只与输入端有关而与输出端无关。只有GT同时与输入、输出都有关。所以用GT表示增益比较全面，因此以GT来衡量放大器。2.2 微波晶体管放大器的稳定性上节求得的放大器增益不一定都是可实现的，因为S12意味着放大器有内反馈，可能造成放大器不稳定。可以从放大器输入端口或输出端口是否等效有负阻来进行判断。如果放大器存在负阻，则有可能(并非一定)产生自激震荡。假设放大器输入阻抗则输入端反射系数的模为可见当R in 0时，。输出端口类似。因此，当我们用S参数法来分析放大器时，就从其输入端口或输出端口反射系数的模是否大于l来判断晶体管放大器的稳定性。
15、以下分四部分进行讨论。一、 当图2-l所示负载反射系数改变时，网络输入端反射系数的变化情况如下：可见与是分式线性变换关系(其中)。因此可以利用复数函数中保角映射的概念，如图2-2所示。在平面上的单位圆()映射到复平面上还是圆，称之为S2圆。S2圆将平面分成圆内区和圆外区两部分：一部分对应平面上的单位圆()，另一部分对应平面上单位圆外(|1)。由式(2-8)可见，时，因此平面的原点()和平面上的S11点互为映射点。如果晶体管参数|S11|1，如图2-2(a)所示，S11点落在单位圆内；则意味着在平面上由S2圆分界时，包含圆点的那部分正好对应单位圆内(|1)，输入端口不呈现负阻，放大器是稳定的。同时在平面上由S2圆分界的、不包含圆点的那部分则对应圆外()，输入端口呈现负阻，放大器不稳定。如图2-2(b)所示，S2圆外区域是稳定的，S2圆内区域是不稳定的。在无源负载的情况下，|1，因此在图中仅将单位圆(|=1)内的不稳定区划为阴影，这些值一般是不应选用的。简而言之，在|S11|1的情况下，S2圆将平面分成圆内外两部分，其中包含圆点(=O)的是稳定区，另一部分是不稳定区。因此S2圆为“稳定判别圆”，有人称之为“输入稳定判别圆”，因为判断的是输入端口的稳定性；也有人称之为“输出稳定圆”，因为它是输出负载平面上的一
