【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (22)qk=VT上式中，q 表示電荷， T 為絕對(duì)溫度，單位是開爾文，k 代表玻爾茲曼常數(shù)。圖 21 大信號(hào) EbersMoll 模型 非線性場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件模型在信號(hào)與系統(tǒng)的概念中，如果一個(gè)系統(tǒng)的輸出可以表示為每個(gè)輸入所對(duì)應(yīng)輸出的線性疊加，那么我們稱這個(gè)系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，即對(duì)于輸入 和 ，）t（x1）（ 2有其對(duì)應(yīng)的輸出 和 ，且可以表示為 和）t（y1）（ 2 ）（y）t（x11?西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)6，那么對(duì)應(yīng)任意常熟 a，b 有：）t（y）（x22? （2）t（by）（）t（x）（a2121 ???3）因此，如果系統(tǒng)不滿足式 23，則為非線性系統(tǒng)。在射頻電路中，由多種各樣的有源器件所構(gòu)成的“線性”放大器，因?yàn)橛性雌骷奶匦允欠蔷€性的，所以這也就導(dǎo)致了總會(huì)出現(xiàn)許多不同的失真現(xiàn)象。在功率放大器中，只有在輸入信號(hào)相對(duì)比較小時(shí)，放大器才可以近似看作是一個(gè)線性系統(tǒng)；每當(dāng)輸入信號(hào)幅度不斷增大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)逐漸顯現(xiàn)出非線性。非線性會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一些不利的影響。這些影響主要包括諧波、增益壓縮、阻塞、互調(diào)以及交調(diào)效應(yīng)。 傳輸線理論在電路理論中存在一個(gè)假定：當(dāng)我們不考慮導(dǎo)線的粗細(xì)和長(zhǎng)度時(shí)，電壓和電流在我們所研究的導(dǎo)線上是不一樣的，有著很大的區(qū)別。傳輸線理論即就是導(dǎo)線長(zhǎng)度和波長(zhǎng)可比，導(dǎo)線長(zhǎng)度方向，電壓和電流也是不相等的，傳輸線是場(chǎng)分析與基本電路理論相聯(lián)系的通道。隨著工作頻率的升高，波長(zhǎng)會(huì)不斷減小，當(dāng)波長(zhǎng)可與電路的幾何長(zhǎng)度互相比較時(shí)，傳輸線上的電壓與電流會(huì)隨著空間位置的變化而不斷發(fā)生著變化，使得電壓與電流呈現(xiàn)出波動(dòng)性，這與低頻電路恰恰不同。封裝引線兩端電壓電流由于所謂的長(zhǎng)線效應(yīng)而有較大區(qū)別，電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮。下面介紹一下傳輸系統(tǒng)的分類：傳輸系統(tǒng)是用來傳輸電磁能量的線路，和低頻段不同，射頻微波傳輸線的種類繁多，從大類上分有三種：（1） TEM 波傳輸線，包括微帶傳輸線。（2） 波導(dǎo)傳輸線，比如矩形和橢圓波導(dǎo)。（3） 表面波傳輸線，如常見的介質(zhì)導(dǎo)波和單根線。雙線傳輸線作為 TEM 波傳輸線之一，雙線傳輸線能將高頻電能從一點(diǎn)傳到另一點(diǎn)。導(dǎo)線輻射損耗非常之高，所以雙線是有有一定范圍地應(yīng)用在射頻領(lǐng)域。必須考慮分布電路特性。同軸線西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)7傳輸線更為普遍的例子是同軸線，中心的銅芯用來傳送高電平的，它被絕緣材料纏繞著；傳輸?shù)碗娖绞褂猛鈬慕饘俦觼韨鬏?，同時(shí)起到隔離作用。當(dāng)其頻率增加到 20Ghz 時(shí)，近乎全部的檢測(cè)裝置的外接線都為同軸線，在同軸線中，往往外導(dǎo)體是接地的，因此輻射損耗和場(chǎng)外干擾非常小，同軸線中介質(zhì)材料為聚乙烯。微帶線微帶線是當(dāng)今相對(duì)用途廣泛的一種平面?zhèn)鬏斁€，它可以通過使用光繪文件來加工，并且容易與其他無源或者有源的微波器件集成。微帶線是準(zhǔn) TEM 模式，它的相速和特征阻抗可以由靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)解獲得。微帶線又稱為非對(duì)稱微帶或標(biāo)準(zhǔn)微帶，是一種單接地板介質(zhì)傳輸線。它是由雙導(dǎo)體傳輸線逐漸變化過來的，即用一個(gè)非常薄的理想導(dǎo)體板進(jìn)到雙導(dǎo)體內(nèi)，把其中一側(cè)的圓柱移去，再把留下的導(dǎo)體改成帶狀，并在它與金屬板間加入介質(zhì)材料構(gòu)成，微帶線的電力線分布是左右對(duì)稱，上下不對(duì)稱，反之帶狀線則是左右對(duì)稱，上下也對(duì)稱，所以微帶線也稱為非對(duì)稱微帶線。 微帶線適合制作集成電路的平面結(jié)構(gòu)傳輸線。其重量輕，成本低。傳輸線方程是描述傳輸線上的電壓和電流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，和它們之間的緊密聯(lián)系。對(duì)于一個(gè)傳輸線，其電壓與電流關(guān)系如下式： （2t/），z（i）t，z（i/）t，z（v ??????LR4） （2），（v），（Gv），（iC5）傳輸線方程即就是公式 24 和 25。傳輸線正弦信號(hào)源的一個(gè)源端接角頻率為 ω，傳輸線上 V 和 I 的可表示如下： （2??jwteV(z)Rtv(z,?6） （2jwtIi7） 于是即可得傳輸線方程： （2IRV）jwL（dz/??西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)88） （2VCGI）jw（dz/??9）上式中， 是單位長(zhǎng)度的串聯(lián)阻抗， 是傳輸線單位jwL+R=Z jwC+G=Y長(zhǎng)度的并聯(lián)導(dǎo)納。 史密斯圓圖在射頻微波工程中，最基本的運(yùn)算是反射系數(shù) 、阻抗 Z 和駐波系數(shù)?VSWR 之間的關(guān)系，它們是在已知特征參數(shù)：特征阻抗 、相移常數(shù) 和長(zhǎng)度0?L 的基礎(chǔ)上進(jìn)行。史密斯圓圖是把特征參數(shù)以及工作參數(shù)有效的連接在了一起。從 20 世紀(jì)初期史密斯圓圖的出現(xiàn)以來，因?yàn)樗暮?jiǎn)單，方便和直觀等特點(diǎn)，這么多年就一直保留了下來。史密斯圓圖同時(shí)也稱為阻抗圓圖，史密斯圓圖的基本思想有如下三條所描述：（1）特征參數(shù)歸一化思想是形成史密斯圓圖的重要所在，其包含了阻抗歸一化以及電長(zhǎng)度歸一化。阻抗千變?nèi)f化，現(xiàn)在用特征阻抗歸一化，統(tǒng)一起來進(jìn)行研究。在射頻系統(tǒng)中，一般認(rèn)為特征阻抗 為 。電長(zhǎng)度歸一化不僅包含0Z?5了相移常數(shù)，而且隱含了角頻率。（2）以系統(tǒng)不變量 作為史密斯圓圖的基底。在無損耗傳輸線中， 是系? ?統(tǒng)的不變量，所以由 從 0 到 1 的同心圓作為史密斯圓圖的基底，使我們可能在一個(gè)有限空間表示全部工作參數(shù) 、Z 和 VSWR，以公式表示為： （2???j）2（jz2j ee）（ i?????10）其中， 的周期是 。??/1（3）將阻抗、駐波比關(guān)系嵌套在 圓上。此時(shí)史密斯圓圖的核心想法可?以說明是：消去特征參數(shù) ，把 歸于 相位；工作參數(shù) 為基底，同時(shí)包含0Z??了 Z 和 VSWR。一個(gè)典型的史密斯圓圖是電阻圓和電抗圓的組合，在阻抗圓圖的上半部分中，x 為正數(shù)，意思是阻抗為感性。阻抗圓圖的下半部分 x 負(fù)數(shù)，意思是阻抗西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)9為容性。圓圖上的任何一點(diǎn)映射著一個(gè)反射系數(shù)以及一個(gè)歸一化的阻抗 Z。史密斯圓圖可以廣泛應(yīng)用于射頻微波放大器，振蕩器，阻抗匹配等多種射頻電路中?？梢岳盟鼇硗瓿芍T如讀取阻抗，導(dǎo)納，發(fā)射系數(shù)等參數(shù)指標(biāo)，也可以通過進(jìn)行 LC 和傳輸線匹配，解決電路中的問題所在，同時(shí)處理電路增益與平穩(wěn)系數(shù)等工作。 S 參數(shù)射頻放大電路中，低頻時(shí)選擇的斷路、短路試驗(yàn)法則已經(jīng)不能再適用下去，這是由于工作頻率很高時(shí)，短路的傳輸線會(huì)產(chǎn)生電抗效果，斷路相當(dāng)于電容。射頻電路研究中一般采用散射參數(shù)法，即選擇 S 參數(shù)，使用二接口的分析方法以此來確定射頻器件的特征。使用入射電壓波和與其對(duì)應(yīng)的反射波的做法確定網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)出關(guān)系即就是S 參量法。如下圖 22，端口 1 的入射波為 ， 為端口 1 的反射波， 為端1ab2a口 2 的入射波， 為端口 2 的反射波。2b 圖22 二端口網(wǎng)絡(luò)圖23 S參數(shù)模型圖 23 為 S 參數(shù)模型。S 參數(shù)定義為：西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)10 （2端 口 入 射 波1端 口 反 射 波ab012?S11） （2端 口 入 射 波1端 口 反 射 波ab012?S12） （2端 口 入 射 波2端 口 反 射 波ab021?S13） （214端 口 入 射 波2端 口 反 射 波ab021?S）在兩端口網(wǎng)絡(luò)中，S 參數(shù)的實(shí)際表示為： 是輸出端口 2 匹配時(shí)輸入端口1S1 的電壓反射系數(shù)； 是端口 2 匹配時(shí)正向電壓傳輸系數(shù)，相當(dāng)于一個(gè)方向的21S電壓增益，經(jīng)過兩兩互乘之后得到正向功率的增益； 為端口 1 匹配時(shí)網(wǎng)絡(luò)反12向電壓傳輸系數(shù)，也就是所謂的反向電壓增益，平方后可以得到反向功率增益；是端口 1 匹配時(shí)端口 2 的電壓反射系數(shù)。2S 穩(wěn)定性在功率放大器的實(shí)踐中，穩(wěn)定性問題是這之間最重要的事情，如何保持一個(gè)電路穩(wěn)定，是必須解決的。當(dāng)電路穩(wěn)定之后，其余的參數(shù)才能給予考慮。造成一個(gè)電路有很大起伏的原因多種多樣，這之間其核心作用的是晶體管 S 參數(shù)等指標(biāo)。 進(jìn)行一個(gè)放大器設(shè)計(jì)前，首先應(yīng)當(dāng)確定晶體管有沒有具有穩(wěn)定。了解一個(gè)電路是否具有穩(wěn)定，定義公式是: （22121SK???15）西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)11 （2???122SB16） （2212217）其中， 2121SS???如果 K1，B0 都符合的前提下，那么這個(gè)電路則具有了穩(wěn)定性，若是沒有符合上述要求，即電路里有著一些影響電路不穩(wěn)定的條件，此時(shí)就需要想辦法使得電路穩(wěn)定。本次做放大器采用的 ADS 軟件，在軟件中我們就用上面的公式法 K，B 來判斷電路是否穩(wěn)定。在仿真控件面板中。 StabFactl 相當(dāng)于 K，判斷 StabFactl 是否大于 1 就行。StabMeasl 則為 B，StabMeasl 大于 0 即可。圖 24 表示的就是在實(shí)踐中往往用到的穩(wěn)定方法。我們應(yīng)當(dāng)關(guān)注的是，在設(shè)計(jì)電路中，穩(wěn)定電路一般是加在輸入端口中，因?yàn)樵谳敵龆丝跁?huì)有較大的功率消耗，但在小信號(hào)放大中，輸入端在加入電阻之后會(huì)使噪聲增加。此外，輸入端加入電阻后會(huì)在某些頻段引起增益損失，一般需通過加入 RC, RL, RCL 選頻網(wǎng)絡(luò)加以改善以滿足設(shè)計(jì)要求。圖24 放大電路常用穩(wěn)定措施原理圖西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)12西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)13第三章 功率放大器的基本原理和參數(shù)射頻功率放大器（RFPA）于一定程度上確定了通信系統(tǒng)的好壞，為了使讀者對(duì)放大器有一個(gè)概念上的掌握和理解，本章首先介紹功率放大器的基本原理，再介紹一些設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)，了解了電路原理的基礎(chǔ)上，才能更好地使用 ADS 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真。 功率放大器基本原理功率放大器的種類：傳統(tǒng)上，由于射頻功率放大器放大信號(hào)的模式，功率放大器大致上分為兩個(gè)大類：在兩種模式下，分別是放大模式功率放大器和開關(guān)模式功率放大器。常見的功率放大器分為 A 類、 B 類、C 類和 AB 類功率放大器。對(duì)雙極型晶體管而言，開關(guān)工作模式功率放大器根據(jù)雙極型晶體管所處的端電壓狀態(tài)，工作在截止區(qū)及飽和區(qū)；相對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)晶體管看，開關(guān)工作模式功率放大器根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管所處的端電壓狀態(tài)，工作在截止區(qū)或線性區(qū)。開關(guān)模式射頻功率放大器又可以分為 D 類、E 類以及 F 類功率放大器。本文主要說明一下 A、B、C 和 AB 類功率放大器。（1）A 類功率放大器A 類射頻功率放大器為所有功率放大器中線性是最高的，在 A 類工作狀態(tài)下，晶體管在信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)都是導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通角為 360176。如圖 31，直流偏向點(diǎn)往往定在截至點(diǎn)和飽和點(diǎn)的之間這塊范圍。此類功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是有著良好的線性度、失真相對(duì)小，而其缺點(diǎn)是效率很低、尺寸大并且有較高的熱消耗，其效率最高只是 50%。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)14圖31 A類放大器的特性曲線（2）B 類功率放大器B 類功率放大器由兩個(gè)不同類型的晶體管構(gòu)成。當(dāng)輸入信號(hào)在正半個(gè)周期范圍時(shí)，NPN 晶體管導(dǎo)通，PNP 晶體管截止；當(dāng)輸入信