【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ??? ???? nnnnn IZIZVVV 00 （ ） 圖 25 雙端口網(wǎng)絡(luò) S參數(shù)的規(guī)定 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 根據(jù)圖 25 中電壓波方向的規(guī)定，就可以定義 S 參數(shù)： （ ） 其中符號(hào)的意義為： （ ） （ ） () () 由于 S參數(shù)直接與功率有關(guān)，因此我們可以采用時(shí)間平均功率來(lái)表達(dá)歸一化輸入、輸出波。 1 端口的平均功率為： )||1(||21)||1(||21 21102120211 SZVZVP in ??????? （ ） 其 中 ， 當(dāng) 輸 出 端 口 匹 配 時(shí) ， 輸 入 端 口 反 射 系 數(shù) 11S 滿足如下關(guān)系：11011112SabVVain??????? () 由此 1 端口的駐波系數(shù)（ VSWR）為：||1 ||1 1111SSVSWR ??? () 我們還可以確定 1 端口的入射功率：2 ||||2121021 aPZV inc ??? （ ） 這就是信號(hào)源的最大資用功率。用入射功率與反射功率之和表示的 1 端口總功率（輸出端口匹配）： )||1(2 ||)|||(|21 2212121i nf1 ininc abaPPP ??????? （ ） 如果反射系數(shù) 11S 為零，則所有資用功率都注入到網(wǎng)絡(luò)的 1 端 口。 2 端口情況同 1 端口。 ??????????????????? 212221 121121 aaSS SSbb .101111 2 ?? ?aabS端口入射波端口傳輸波1202021 2 ?? ?aabS端口入射波端口反射波2202222 1 ?? ?aabS端口入射波端口傳輸波2102112 1 ?? ?aabS北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 3 RF 晶體管放大器設(shè)計(jì) 射頻放大器與常規(guī)低頻放大器的設(shè)計(jì)方法完全不同，它需要考慮一些特殊的因素。尤其是人射電壓波和人射電流波都必須對(duì)有源器件良好匹配，以便降低電壓駐波比、避免寄生振蕩。所以，穩(wěn)定性分析通常被作為射頻放大器設(shè)計(jì)工作的第一個(gè)步驟。穩(wěn)定性分析以及增益圓、噪聲系數(shù)圓都是放大器電路設(shè)計(jì)所必須的基本要素，依據(jù)這些要素設(shè)計(jì)出符合增益、增益平坦度、輸出功率、寬帶和偏置條件等苛刻要求的放大器。 放大器的性能指標(biāo) 圖 31 是一個(gè)插入在輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)之間的常規(guī)單級(jí)放大 器電路： 射 頻源輸 入匹 配網(wǎng) 絡(luò)輸 出匹 配網(wǎng) 絡(luò)負(fù)載直 流 偏置【S】 Pi n cPLΓSΓi nΓLΓo u t 圖中，輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)可用于減小有害反射從而增加功率流容量。放大器的指標(biāo)是由其在特定偏置條件下的 S 參量確定的。以下是放大器特性指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)： ? 增益及增益平坦度（以 dB 表示） ? 工作頻率及帶寬（單位： Hz） ? 輸出功率（單位： dBm） ? 直流輸入功率（單位： V 和 A） ? 輸入、輸出反射系數(shù)（ VSWR） 圖 31 常規(guī)放大器系統(tǒng) 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 ? 噪聲系數(shù)（以 dB 表示） 此外，還需要考慮其他參數(shù)，如交調(diào)失真（ IMD）、諧波、反饋以及熱效應(yīng)，所有這些都會(huì)影響放大器性能。 放大器的功 率關(guān)系 為方便研究，假設(shè)兩個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)含在信號(hào)源和負(fù)載阻抗中，依據(jù)功率流關(guān)系考察圖 32,以下小節(jié)均對(duì)此圖進(jìn)行討論： [S]ZLZSVSPi n cΓSb139。a139。b1a1b2a239。a2b239。Γo u tΓLΓi nPL 射頻源 圖 32中，信號(hào)源電壓為： )1(39。139。139。100 sinssss babVZZ Zb ????????? （ ） 對(duì)應(yīng)于 39。1b 的入射功率波 (即放大器的入射功率 )為：22239。1|1| ||212 || sinsinc bbP ????? () 放大器輸入端口的實(shí)際輸入功率為： )||1(|1| ||21)||1( 2222insinsinincin bPP ????????? （ ） 當(dāng)放大器的輸入阻抗與信號(hào)源的內(nèi)阻符合共軛匹配條件（ *sin ZZ ? 也即 *sin ??? ）時(shí)，信號(hào)源到放大器之間有最大傳輸功率。在最大功率傳輸條件下，定義資用功率 AP 為： 圖 32 簡(jiǎn)化的單級(jí)放大電路 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 22222||1 ||21)||1(||1| ||21| ** ssinsinsi ncA bbPP sinsin ?????????? ?????? （ ） 轉(zhuǎn)換功率增益 轉(zhuǎn)換功率增益定量的描述了插入在信號(hào)源與負(fù)載之間的放大器增益。 )||1)(||1(|| || 22222 SLSALT bbPPG ?????? （ ） 其中： L? 為負(fù)載反射系數(shù)， S? 為源反射系數(shù)。引入輸入、輸出反射系數(shù)后 211222212|1||1| )||1(||)||1( SoutL SLT SSG ????? ????? （ ） 通常我們用單向化功率增益 TUG 來(lái)近似 TG ，單向化功率增益忽略了放大器反饋效應(yīng)的影響（ 012?S ）： 21122222212|1||1| )||1(||)||1( SL SLTU SS SG ???? ????? （ ） 其他功率關(guān)系 負(fù)載端口匹配（ *outL ??? ）條件下的資用功率增益定義是： 21122221|1|)|1( )||1(|| Sout SA SSG ???? ??? （ ） 另外，功率增益的定義是負(fù)載吸收功率與放大器輸入功率的比值： 22222221|1|)|1( )||1(|| Lin LSSG ???? ??? () 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 穩(wěn)定性判定 穩(wěn)定性判定圓 放大器電路必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。 我們將放大器視為一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)有 S 參量及外部終端條件 L? 和 S? 確定。穩(wěn)定性意味著反射系數(shù)的模小于 1。即 : 1|| ??L ， 1|| ??S （ ） 1|1||| 2211 ??? ????? LLin SS () 1|1||| 1122 ??? ????? SSout SS () 其中， 21122211 SSSS ??? ，由于 S 參量對(duì)于額定頻率是固定值，所以對(duì)穩(wěn)定性有影響的參數(shù)只有 L? 和 S? 。 考慮放大器的輸出端口，需要建立適 當(dāng)?shù)臈l件使等式（ ）成立。為此將：ILRLLIRIRIR jjjSSSjSSS ?????????????? , 222222111111 () 帶入（ ）整理得輸出端口穩(wěn)定性判定圓的方程： 222 )()( outIoutILRoutRL rCC ?????? （ ） 其中，圓半徑為：|||||| || 2222 2112 ??? S SSrout () 圓心坐標(biāo)為：2222**1122|||| )( ?? ????? S SSjCCC IoutRoutout () ， 如圖 33（ a）所示： 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 |ΓL | = 1ΓL I|Γi n | = 1 |Γo u t | = 1|ΓS | = 1ΓLRΓS IΓSRCo u tro u tri nCi n| Ci n|| Co u t|（ a ） 輸 出 穩(wěn) 定 圓 （ b ） 輸 入 穩(wěn) 定 圓 同樣，考察放大器的輸入端口，可得輸入端口穩(wěn)定性判定圓的方程： 222 )()( inIinISRinRS rCC ?????? （ ） 其中，圓半徑為： |||||| || 2211 2112 ??? S SSrin () 圓心坐標(biāo)為：2211**2211|||| )( ?? ????? S SSjCCC IinRinin () 如圖 33（ b）所示。 絕對(duì)穩(wěn)定 絕對(duì)穩(wěn)定是指在選定的工作 頻率和偏置條件下，放大器在整個(gè) Smith 圓圖內(nèi)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。絕對(duì)穩(wěn)定的充分條件是： 1||||2 ||||||11||||2112222221121122211??????????SSSSkSSSS () 例如考察一個(gè)晶體管的穩(wěn)定區(qū)，其 S 參量的測(cè)量值為：??????????????? , 22211211 SSSS ，由上述公式可計(jì)算出 ,||, ??????????? outoutinin rCrCk 。 由于 1|| ?? ，該晶圖 33 復(fù)平面 L? 上的穩(wěn)定性判定圓 1|| ??in 及 復(fù)平面 S? 上的穩(wěn)定性判定圓 1|| ??out 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 體管有潛在的不穩(wěn)定性。 我們由附錄 的 M 文件可得到圖 34 如下： 圖 34 中紅色圓為輸 入穩(wěn)定性判定圓，藍(lán)色圓為輸出穩(wěn)定性判定圓。從圖上可以看出 兩判定圓都落在了 Smith 圓圖之內(nèi)。由于 || 11S 和 || 22S 都小于 1，即 Smith 圓圖的原點(diǎn)就是穩(wěn)定點(diǎn)，另外有 outoutinin rCrC ?? ||,|| ，所以穩(wěn)定性判定圓的內(nèi)部是穩(wěn)定區(qū)。 放大器的穩(wěn)定措施 如果在工作頻段內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)管或雙極結(jié)晶體管處于非穩(wěn)定狀態(tài)，則要采取適當(dāng)措施使晶體管進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。已知非穩(wěn)定時(shí)： 1|||| 00 ????? ZZ ZZ ininin 和 1|||| 00 ????? ZZ ZZ outoutout 這表明非穩(wěn)定狀態(tài)有 ? ? 0Re ?inZ 和? ? 0Re ?outZ 。所以，穩(wěn)定有源器件的一個(gè)方法是在不穩(wěn)定的端口增加一個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的電阻。圖 35 給出了輸入端口的電路，要求： ? ? 0Re 39。 ??? Sinin ZRZ 或 圖 34 k1, 1|| ?? 時(shí)的穩(wěn)定性判定圓 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 ? ? 0Re 39。 ??? Sinin YGY () 有 源 器 件（ B J T o r F E T ）信號(hào)源Zi n+ Ri n’ Ri n’Zi n有 源 器 件（ B J T o r F E T ）信號(hào)源 Gi n’Yi nYi n+ Gi n’( a ) 串 聯(lián) 電 阻 （ b ） 并 聯(lián) 電 阻 同理，圖 36 給出了輸出端口的穩(wěn)定電路，相應(yīng)條件是 ? ? 0Re 39。 ??? Loutout ZRZ 或 ? ? 0Re 39。 ??? Loutout YGY () 有 源 器 件（ B J T o r F E T ）負(fù)載Zo u t+ Ro u t’ Ro u t’Zo u t有