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1、-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 年月日学生班级学号成绩指导教师(签字)年 月 日. z.-课题名称微波放大器的设计 人 数组 长同组人员课题的主要容和要求一、设计目的1.了解射频放大器的根本原理与设计方法。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。二、设计任务主要容：1、了解射频放大器的根本原理与设计方法。 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：1、双边放大器设计。2、单边放大器设计。3、单边设计评价因子。 4、放大器的稳定
2、条件。三、设计工作量2周完成具体任务1、了解射频放大器的根本原理与设计方法。 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。时间安排与完成情况. z.-目录一、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. z.-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局部：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采用无源电路，即利用电容
3、、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，那么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根本理论及设计方法。L = OUT *二端口有源电路输出匹配电路 输入匹配电路SIN = S11LGOS = IN*GS GL OUT = S22R SR L图1 放大器电路方框图1.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S12=0。此时可得：I
4、N = S11 及 OUT = S22 那么放大器之单边转换增益(Unilateral Transducer Gain,GTU)为： 其中 假假设电路又符合以下匹配条件：S = S11*及 L = S22* 那么可得到此放大器电路之最大单边转换增益(Maximum Unilaterla Transducer Gain,GTU,max)：2.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S12，即是S120。此时可得： 及 假设利用最大增益匹配法亦称共轭阻抗匹配法，那么可得 S =IN*及 L =OUT* 经过推导可利用以下公式计算出最
5、正确输入反射系数Sm和最正确输出反射系数 Lm ： ，其中3.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： 最大增益误差比那么为： 其中GT是有源元件的转换增益(Transducer Gain)4.放大器的稳定条件Stability Criteria 1无条件稳定Unconditionally stable一个良好的放大器设计电路除考虑增益和输出入匹配外，还需要考虑放大器在工件频段中是否为无条件稳定，以防止电路产生振荡。
6、如图11-2所示:对于一个放大器电路而言，其有源器件在S=0及L=0情况下，无条件稳定的充要条件为K 1 ， |S11| 1 且 |S22| 1 其中K称为稳定因子stability factor2条件稳定Conditionally 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，如图2所示:| |cS| - rS | 1| S11 | 1| |cL| - rL | 1| S22 | 1，|S11| 1，|S22| 1 而条件稳定那么是|cS| - rS| 1，|S11| 1 或 |cL| - rL| 1，|S2
7、2| 1A输出稳定圆Load Stability Circle： 半径 ； 圆心 B输入稳定圆Source Stability Circle： 半径 ； 圆心 二、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RF2KM7-1A 350 BNC及1M BNC 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(f0)与输出入阻抗(RS , RL)。一般射频放大器的输出入阻抗设定为50。 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(VCE,IC)，决定出在该条件下的三极管的S参
8、数(S11,S21, 12,S22)，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以下设计参数： 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，rS输出稳定圆的圆心，CL及半径，rL最正确输入反射系数 Sm最正确输出反射系数 Lm步骤四：检查K值是否小于1。假设K值大于1，那么为无条件稳定可进展下一步骤。假设小于，那么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，防止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假设M值接近0.03(-15dB)那么适用单边设计，可
9、得S = S11*及 L = S22* 最大增益即为GTU,max 2假设M值大于0.03(-15dB)那么须用双边设计，可得S =Sm 及 L =Lm 最大增益即为GT,max 步骤六：利用步骤五所得S及L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50。ATF-35143的S参表(VCS=2V，IDS=10mA，Zo=50，TA=25)如下表：Freqency(GHz)S11S21S12S22Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.0.50.49-15312.7980.030500.42-
10、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-35143 Electrical Specifications TA = 25C, RF parameters measured in a test circuit fo
11、r a typical device SymbolSaturated Drain Current Units Min. Typ. MaxIdssPinchoff Voltage VDS = 1.5 V, VGS = 0 V mA 406580 VPQuiescent Bias Current VDS = 1.5 V, Ids =10%Idss V -1-0.5-0.4Id Transconductance VGS = 0.45 V, VDS = 2 V mA 15gmGate to Drain Current VDS = 1.5 V, gm = Idss /VP mmho 90120IGDO
12、Gate Leakage Current VGD = 5 V A 250Igss VGD = VGS = -4 V mA 10150NF Noise Figure3 f = 2 GHz VDS = 2 V, IDS = 15 mA VDS = 2 V, IDS = 5 mA dB 0.4 0.5f = 900MHz VDS = 2 V, IDS = 15 mA VDS = 2 V, IDS = 5 mA dB 0.3 0.4Ga Associated Gain3 f = 2 GHz VDS = 2 V, IDS = 15 mA VDS = 2 V, IDS = 5 mA dB 16.5 1418 1619.5 18f = 900MHz
