【正文】 S ( 2 , 1 ) ) = 6 . 5 8 82 . 4 5 0 G H z 天津職業(yè)技術師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 18 f re q (1 0 0 . 0 M H z t o 5 . 1 0 0 G H z)S(1,1)2 . 4 3 0 E 90 . 4 8 0 / 1 7 4 . 5 0 0m3m3fr e q =S ( 1 , 1 ) = 0 . 4 8 0 / 1 7 3 . 5 0 0im p e d a n ce = Z 0 * ( 0 . 3 5 2 + j0 . 0 5 0 )2 . 4 5 0 G H z f re q (1 0 0 . 0 M H z t o 5 . 1 0 0 G H z)S(2,2)R e a d o u tm4m4f r e q =S ( 2 , 2 ) = 0 . 5 4 0 / 5 7 . 5 0 0im p e d a n ce = Z 0 * ( 0 . 9 9 6 j1 . 2 8 1 )2 . 4 5 0 G H z 1 2 3 4 50 664280f re q , G H zdB(S(1,1))R e a d o u tm1m1f r e q =d B ( S ( 1 , 1 ) ) = 6 . 3 7 52 . 4 5 0 G H z1 2 3 4 50 664280f re q , G H zdB(S(2,2))R e a d o u tm2m2f r e q =d B ( S ( 2 , 2 ) ) = 5 . 3 5 22 . 4 5 0 G H z 圖 46 晶體管 S參數(shù)仿真 1 2 3 4 50 61 . 52 . 02 . 53 . 01 . 03 . 5f r e q , G H znf(2)R e a d o u tm5m5f r e q =n f ( 2 ) = 2 . 0 6 92 . 4 5 0 G H z 圖 47 噪聲系數(shù) nf(2)曲線 從曲線可以看出當頻率在 的時候， S(1,1)= S(1,2)= S(2,1)= S(2,2)= Nf(2)= 由上述分析可以看出，晶體管參數(shù)指標如下： 天津職業(yè)技術師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 19 （ 1）晶體管 sp_hp_AT32020_5_1995105 的頻率范圍為 到 ,滿足技術指標； （ 2） 通帶內(nèi)的噪聲系數(shù)滿足技術指標； （ 3）通帶內(nèi)的增益不滿足技術指標； （ 4）通帶內(nèi)的輸入駐波比不滿足技術指標； （ 5）通帶內(nèi)的輸出駐波比不滿足技術指標 ； 結(jié)論如下： （ 1）頻率范圍和噪聲系數(shù)滿足技術指標，可以選取晶體管； （ 2）通帶內(nèi)增益、輸入輸出駐波比不滿足技術指標，需要添加輸入輸出匹配網(wǎng)絡，通過輸入輸出匹配網(wǎng)絡的優(yōu)化實現(xiàn)該 3 項指標； 放大器的穩(wěn)定性分析 我們知道二端口網(wǎng)絡絕對穩(wěn)定的充分且必要條件為： 2 2 21 1 2 21 2 2 121 1 1 2 2 122 2 1 2 2 11 | | | | | | 12 | || |11SSKSSS S SS S S? ? ? ? ?????? ????????? （ 41） 其中 221 1 2 21 2 2 1(1 )2 SsS S DK SS? ? ?? （ 42） 為放大器的穩(wěn)定因子， SK 越大，穩(wěn)定性越高。另外，靜態(tài)工作點決定著放大器的各種性能，如增益、噪聲系數(shù)、駐波比等。一般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對系統(tǒng)的影響，可用插損很小的隔離器等其他措施來解決 [11] 。 端口駐波比和反射損耗 低噪聲放大器的輸入和輸出反射系數(shù)表征著輸入輸出信號的反射損耗，通常用輸入和輸出駐波比來表示，將低噪聲放大器看成標準兩端口網(wǎng)絡，則輸入輸出駐波比如下： ||1 ||1V SW R iiinnn?? ??? (38) ||1||1V S W Routoutout?? ??? (39) 低噪聲放大器主要指標是噪聲系數(shù)所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設計的，其結(jié)果會偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會很好。而且只有在絕對穩(wěn)定的條件下晶體管才有可能達到最大增益，所以判斷一個晶體管的射頻是否絕對穩(wěn)定就相對變得重要。對條件穩(wěn)定的放大器，其負載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作，即使負載阻抗 和源阻抗屬于標準天津職業(yè)技術師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 13 的阻抗，但隨著溫度、濕度等環(huán)境的變化這些阻抗可能會發(fā)生變化，同時放大器的參數(shù)也會發(fā)生變化，而在設計基于有源兩端口網(wǎng)絡射頻放大電路時，絕對穩(wěn)定是非常有價值的。反之，若 Γ01，將導致反射電壓波的幅度變?。ㄘ摲答仯??？疾祀妷翰ㄑ貍鬏斁€的傳輸，可以理解這種振蕩現(xiàn)象。 穩(wěn)定性 放大器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。根據(jù)經(jīng)驗，一般取值在 15~20dB 較為合適。通常，相關增益比最大增益大約低 2~4dB。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，以此增益 G 要下降。其次放大器的增益還與負載有關。但為了抑制后面各級的噪聲對系統(tǒng)的影響，其增益又不能太小。對于實際的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源與負載多為 50Ω標準阻抗情況下實測的增益，一般用 dB表示。只有 1F 盡量低，前級增益 G1和 G2足夠大，整機的噪聲性能才能足夠小 [6] 。G G2和 G3分別表示第一、第二級和第三級放大器的功率增益。 圖 31 多級放大電路示意圖 當系統(tǒng)中有多級放大器相連時，其系統(tǒng)總噪聲系數(shù)和總增益表達式為 : 2311 2 1 2 3 1 2 31 2 31 1 11ntotalntotal nF F FFFG G G G G G G G GG G G G G? ? ?? ? ? ? ? ???? ?????? ???? ????? （ 34） 式中 totalF 表示多級放大器總的噪聲系 數(shù) 。由此可見放大器的輸入匹配電路應該按照噪聲最佳來進行設計，也就是 根據(jù)所選晶體管的 opt? 來進行設計。當一個晶體管的源端所接的信號源的阻抗等于它所要求的最佳信號源阻抗時，由 該晶體管構(gòu)成的放大器的噪聲系數(shù)最小。影響放大器噪聲系數(shù)的因素有很多，除了選用性能優(yōu)良的元器件外，電路的拓撲結(jié)構(gòu)是否合理也是非常重要的。放大器噪聲系數(shù)是指放大器輸入端信號噪聲功率比 siP / niP 與輸出端信號噪聲功率比 soP / noP 的比值。 通常當相對帶寬小于 10%時稱為窄帶放大器，相對帶寬大于 30%時稱為寬帶放大器，而相對帶寬大于 100%時稱為超寬帶放大器，考慮到噪聲系數(shù)是主要指標，但是在寬頻帶情況下難于獲得極低噪聲，所以低噪聲放大器的工作頻帶一般不寬 ，較多為 20%左右 [9] 。采用相對帶寬表示時，帶寬是無量綱的相對值。絕對帶寬定義如下： () HLBW Hz f f?? (31) 采用絕對帶寬表示時，帶寬 BW 的量綱為 Hz。而低噪聲放大器的帶寬不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內(nèi)噪聲要滿足要求。 帶寬 為保證頻帶信號無失真地通過放大電路，要求其增益頻率響應特性必須有與信號帶寬相適應的平坦寬度。 放大器所能允許的工作頻率與晶體管的特征頻率 Tf 有關，由晶體管小信號模型可知，減小偏置電流的結(jié)果是晶體管的特征頻率降低。放大器的實際工作頻率盡可能限制在所定的工作頻率范圍。 偏置網(wǎng)絡不僅要設定直流工作狀態(tài)，還要通過高頻扼流線圈和隔直電容確保直流偏置與射頻信號相互隔離。如果反饋根本不實用或不充分，就需要使用有源偏置， 有源偏置網(wǎng)絡能改善靜態(tài)工作點的穩(wěn)定性，還能提高良好的溫度穩(wěn)定性，但它也存在一些問題，如增加了電路尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。無源網(wǎng)絡 (即自偏置 )是最簡單的偏置電路，通常由電阻網(wǎng)絡構(gòu)成，它為射頻晶體管提供合適的工作電壓和電流，但是這種電路的缺點就是對晶體管參數(shù)變化非常敏感，并且溫度穩(wěn)定較差。 偏置電路 在電路系統(tǒng)設計中，直流偏置電路系統(tǒng)是射 頻功率放大器運轉(zhuǎn)的關鍵。 60年代前期， 由于微波低損耗介質(zhì)材料和微波半導體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路，使微帶線得到廣泛應用，于是相繼出現(xiàn)了各種類型的微帶線。它是由介質(zhì)基片上的導帶和基片底部的金屬接地板構(gòu)成的，整個微帶線用薄膜工藝制作而成，基片采用介電常數(shù)高、高頻損耗低的陶瓷、石英、藍寶石等介質(zhì)材料，導帶采用良導體材料。 匹配方法 阻抗匹配的方法有二：一是在不匹配系統(tǒng)中適當加入無功元件，稱為調(diào)配器，人為引入一個或多個反射并使之與原系統(tǒng)產(chǎn)生的反射相互抵消而達到匹配；二是兩不匹配系統(tǒng)間加接一 個 阻抗變換器，其作用是化原不匹配系統(tǒng)內(nèi)的大反射為多級的或漸變的小反射乃至最終過渡到匹配狀態(tài) [5] 。 3. 行波狀態(tài)時傳輸線功率容量最大。 2. 行波狀態(tài)時傳輸線的傳輸效率最高。需強調(diào)的是 iZ 與 sZ 必須對同一參考面而言，其中 iZ 為從參考面處向負載看去的輸入阻抗， sZ 為從參考面處向波源看去的輸入阻抗 [4] 。本文采用的是集總元件與傳輸線相結(jié)合的方法，并利用 Smith 圓圖軌跡法作為工具。一般而言，最佳的解決方案依賴于電路的要求，例如簡單易于實現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波動，設計的可實現(xiàn)性和可調(diào)節(jié)性，設定的 工作條件，足夠的諧波抑制等。這是兩個不同性質(zhì)的問題，前者要求信號源內(nèi)阻與長線輸入阻抗實現(xiàn)共軛匹配；后者要求負載與長線實現(xiàn)無反射匹配。本文采用的是集總元件與傳輸線相結(jié)合的方法，并利用 Smith 圓圖軌跡法作為工具。一般而言，最佳的解決方案依賴于電路的要求，例如簡單易于實現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波動，設計的可實現(xiàn)性和可調(diào)節(jié)性，設定的工作條件，足夠的諧波抑制等。因此，阻抗匹配問題極其重要。假定系統(tǒng)是線性的， S 參數(shù)定義為： 圖 22 二端口網(wǎng)絡 S參數(shù) 1 1 1 1 2 12 2 1 2 2 2b S S ab S S a? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 22） 式中 ? ? 11 1221 22SSS SS???????稱為雙端口網(wǎng)絡的散射矩陣，簡稱為 ??S 矩陣，它的各個參數(shù)的意義如下： 2V 1V 2a 1a [S ] 1b 2b 天津職業(yè)技術師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 7 1111bS a??2短 匹 配：表示 2 端口匹配， 1 端口的反射系數(shù) ； 221 21bS a??短 匹 配：表示 2 端口匹配， 1 端口到 2 端口的傳輸系數(shù) ； 1122bS a??1短 匹 配：表示 1 端口匹配， 2 端口到 1 端口的傳輸系數(shù) ； 2222bS a??1短 匹 配：表示 1 端口匹配， 2 端口的反射系數(shù) ； 在射頻與微波頻段上，與端口的開路、短路條件相比，端口的匹配比 較容實現(xiàn)，在端口匹配條件下進行測試也比較安全 [7] 。應用 S 參數(shù)測量和校準都變得容易 [1] 。另外，當涉及電磁波傳播時也不希望反射系數(shù)的模等于 1，在這種情況下，終端的不連續(xù)性將導致有害的電壓、電流反射，并產(chǎn)生可能造成器件損壞的振蕩。其原因在于實際射頻系統(tǒng)不再采用終端開路、導線形成短路的測量方法。 根據(jù)上面介紹的等電阻圓和等電抗圓圖，能過簡單有效的確定電路的阻抗，并進行阻抗匹配。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長度是 1，即 100% 反射。圖中的圓形線代表電阻抗力的實數(shù)值，即電阻值，中間的橫線與向上和向下散出的線 則代表電阻抗力的虛數(shù)值，即由電容或電感在高頻下所產(chǎn)生的阻力，當中向 上的是正數(shù)，向下的是負數(shù)。 反射系數(shù) (reflection coefficient) 0? 能用下式的復數(shù)形式表達出來： LjOOiOrOLOL ejZZ ZZ ??????????? 0 (21) 其中 )/arctan ( 0 rOiL ???? ， LZ 是電路的負載值 , 0Z 是傳輸線的特性阻抗值，通常會使用 50Ω。 天津職業(yè)技術師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 5 2 低噪聲放大器理論綜述 史密斯圓圖 P． H． Simth 開發(fā)了以保角映射原理為基礎的圖解。 第四部分為具體的設計 過程，對每一部分的設