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1、实验七：放大器设计（Amplifier Design ）、实验目的：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 .预习内容：1 熟悉放大器原理等理论知识。2. 熟悉放大器设计相关理论知识。二.实验设备:项次设备名称数量备注1MOTECH RF200测量仪1套亦可用网络分析仪2放大器模组1组RF2KM7-1A350Q BNC及1MQ BNC连接线4条CA-1、CA-2、CA-3 CA-44直流电源连接线1条DC-15MICROWAVE件1套微波软件四. 理论分析：一个射频晶体放大顺电路可分为三
2、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7-1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采用无源电路， 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，则可有单向设计及双边设计两种。 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。R Lr sr lr in = sr out = s S1青1.
3、色2$1- L1 -氐L图7-1放大器电路方框图S22 二 S221-飞SI1二 S1（一）单边放大器设计（Unilateral Amplifier Design）所谓单边设计即是忽略有源器件 S参数中的S12,即是S2=0。此时可得:r in = S11 及 r out= S22TU）为:则放大器之单边转换增益（Unilateral Transducer Gain,GGtu其中Gs21 - S21 - 01 - SGo = S21GlI-/21 - S22_ LGsGG|_假若电路又符合下列匹配条件：r s = S11* 及 r l = S22*则可得到此放大器电路之最大单边转换增益（Max
4、imum UnilaterlaGTU ,maxTransducer Gain,G 卩圖:1 - S11（二）双边放大器设计（Bilateral Amplifier Dseign）双边设计即是考虑有源器件 S参数中的S2，即是S2工0。此时可得： p _s - S + 12S?1Lp = S. = s + 绻几-IN 一 S1 一 S1及 一 OUT 一 62 一 S221 - S2 L1 - S11 S若利用最大增益匹配法（亦称共轭阻抗匹配法），则可得r s = r in* 及 r l = r ou*经过推导可利用下列公式计算出最佳输入反射系数r sm和最佳输出反射系数r Lm :SmC2Lm
5、 一户2 斗 B2 -4 c2 C2其中B1B2C1十 |Sl|2-S22 =1 - S11+ S22-S11 L S222 -21 -A22C2=-S22 - S11S11S22 - S12 S21（三）单边设计评价因子（Unilateral Figure of Merit , M）在判断有源元件是否适用单边设计时，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：M _ 氐 Sr 群S22(1|Sn|2) (1- S222)最大增益误差比则为：1Gt1(1 + M)2 Gumax (1 M)2其中GT是有源元件的转换增益(Transdu
6、cer Gain)Gt(1-S2 | |2)區| (1-(1 - $1 S)(1 - S22 L ) - S2S21 S LStability Criteria )稳定区域(斜线区)不稳定区域(交叉区)I IclI - rL | 1I S22 | 1| Si I 1， |S n| 1其中K称为稳定因子(stability factor_ 1 - 陰| TS22IK 二且 |S 22| 1)+ A2 S12S21(2)条件稳定(Co nditi on ally stable )当有源器件不符合上述无条件稳定的三大规定时，即称为条件稳定。在此情 况下，在输入端平面及输出端平面，必存一些不稳定区域，
7、如图7-2 (b)所示:ClLCs图7-2(b)条件稳定圆示意图稳定区域 (斜线区)/rs| |cs| - rs | 1| Sii | 1I |Q| -rL | 1I S22 | 1，务必避免使用这些区域,以免造成放大器电路l|c s| - r而条件稳定则是l|c S| - r(A)输出稳定圆(|Sii|v 1|Sii| 1半径S| 1，Load Stability CircleS12S212(B)输入稳定圆(半径且 |c l| - r或 |c l| - r）：Source Stability Circle圆心)：Cll|L|1 ，|S22| 11，|S22| 1C22S22-22； 圆心Cs
8、 -S11S11rSS12S21C12(五) 设计步骤：步骤一：设定放大器工件频率(f 0)与输出入阻抗(Rs , R l)。一般射频放大器 的输出入阻抗设定为50Qo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(vceI c),决 定出在该条件下的三极管的S参数(S11,S21, 12,S 22)，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，GTu,max输入稳定圆的圆心，CS及半径，r s输出稳定圆的圆心，CL及半径，rL 最佳输入反射系数 r Sm最佳输出反射系数 r Lm步骤四：检
9、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 7-2(b)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r s = S11* 及 r l = S22*最大增益即为Gu,max(2)若M值大于0.03(-15dB)则须用双边设计，可得r s=r sm 及 r l = r Lm最大增益即为G,max步骤六：利用步骤五所得r S及 r L设计输出入匹配电路五、硬件测量：1、对M0D-7A,MMI放大器的S11及S21测量以了解
10、MMIC放大电路的特性。对M0D-7B,BJ放大器的S11及S21测量以了解射频BJT放大电路的特性。2、准备电脑，测量软件，RF2000,相关模组，若干小器件等。3、测量步骤：MOD-7A的P1端子的S11测量：设定频段：BAND-4用DC-1连接线将RF-2000后面12VDC俞出端子连接起来；对模组 P1端子做S11测量，并将 测量结果记录于表(9-1 )中。MOD-7A的P1及P2端子的S21测量：设定频段：BAND-4对模组P1及P2 端子做S21测量，并将测量结果记录于表(9-2)中。MOD-7B的 P3端子的S11测量：设定频段：BAND-4对模组P3端子做S11 测量，并将测量
11、结果记录于表(9-3)中。MOD-7B的P3及P4端子的S21测量：设定频段：BAND-4对模组P3及P4端子做S21测量，并将测量结果记录于表(9-4)中。4、实验记录表9-1、9-2、9-3、9-4均为以下此表：5、硬件测量的结果建议如下为合格：RF2KM7-1A MOD-7A(908-920MHZ) S1+10dBMOD-7B(908-920MHZ) S11+10dB6待测模组方框图：PL50欧1DCI1rM0D-7BP4 5瞰f250欧MOD-TAMMIC放大器和BJT放大器六、软件仿真1 进入微波软件 MICROWAVE2在原理图上设计好相应的电路，设置好 P1,P2,P3,P4端口
12、，完成频率设 置、尺寸规范、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(推荐以下)，接着是相应的仿真图。=kP呃细归I出甜士山帳fAA2 &比井Hisiteb900NHz Max ImuiM Go(n flmpl iF lr图7-3 (a)放大器电路图4Q.O020 00-0 0020.001 4b.40(X3-tooFREQ (GHa图7-3 ( b )模拟结果七、实例分析:试利用AT41511设计一 900MHz放大器。其中电源为12VDC输出入阻抗为50Q。AT41511 的 S参表(Vc=8V, I c=25mA Zo=50Q , Ta=25C)如下列:Freqe ncy(GHz)S11S1S12S22Mag.An g.Mag.An g.Mag.An g.Mag.An g.0.50.49-15312.7980.030500.42-350.60.48-15910.7940.034520.39-350.70.48-1639.3900.037530.38-350.80.47-1678.2870.040550.37-360.90.47-1707.3850.044560.36-371.00.47-1716.6820.047570.37-381.50.441774.9710.065590.40-422.0
