【正文】 抑制的同時，得到較 好的功率輸出和效率，但由于受到調(diào)制帶寬的嚴(yán)重限制，通常局限在單載波系統(tǒng)的設(shè)計中。并且其實現(xiàn)簡單，成本較低，適合于在便攜式系統(tǒng)等要求廉價且容量大的通信系統(tǒng)中使用。為使放大器能可靠地工作．防止自激也是設(shè)計成敗的關(guān)鍵所在。噪聲在微波放大器的設(shè)計中是力求避免的，盡管在有的放大器的設(shè)計中不是主要考慮的技術(shù)參數(shù)，但也是性能優(yōu)良為上，是放大器設(shè)計中值得重視的問題。 微波放大器 增益包括實際功率增益、資用功率增益、傳輸功率增益。 (1) 實際功率增益 ? ?21122222111LLLinL SS SPPG ?????? ???? 21122211 SSSS ??? 其中 PL是負(fù)載吸收功率，即實際到達(dá)負(fù)載的功率， Pin是送進(jìn)微波放大器輸入 端的功率， L? 是負(fù)載反射系數(shù)， S1 S2 S1 S2l是功率管的 S參數(shù)，以下相 同。應(yīng)用式 (21)便于研究負(fù)載變化對功率放大器的影響。 Pn是信源的資用功率，即信源的最大輸出功率?？梢娰Y用功率增益只與晶體管 S參數(shù)和信源阻抗有關(guān)，而與輸出端口的匹配程度無關(guān)。 Ga的物理意義是：插入放大器后負(fù)載可能得到的最大功率是無放大器時可能得到的最大功率的多少倍。 Ga只是表示放大器功率增益的一種潛力。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 35 頁 (3) 傳輸功率增益 ? ?? ?? ?? ?221122211222211111LSLsLSaLT SSSSSPPG ??????? ?????? 上式體現(xiàn) 了正向傳輸、輸入匹配程度、輸出匹配程度以及反饋等因素對增 益 GT所起的作用。 三種功率增益有如下關(guān)系： aaLaLaLaininLaL GMPPPPMGPPPPPPG ????????? 21? 式中的 M1， M2分別為輸入端和輸出端的失配系數(shù)。一般情況下， M11， M2l，表示兩個端口都偏離共扼匹配， 所以 GTG GTGa 當(dāng)共扼匹配時， M1=M2=1，此時 m a xm a xm a x aT GGG ?? 由以上分析可知 G值只與輸出端匹配程度有關(guān)，而與輸入端匹配程度無關(guān)。只有 GT同時與輸入、輸出都有關(guān)。 微波晶體管放大器的穩(wěn)定性 上節(jié)求得的放大器增益不一定都是可實現(xiàn)的，因為 S12 意味著放大器有內(nèi)反饋，可能造成放大器不穩(wěn)定。如果放大器存在負(fù)阻 ，則有可能 (并非一定 )產(chǎn)生自激震蕩。輸出端口類似。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 35 頁 4 使用 ADS 軟件進(jìn)行微波功率放大器的設(shè)計與仿真 本設(shè)計使用的是 ADS2021版本采用了負(fù)載牽引方法，這個方法是決定最佳負(fù)載 阻抗最精準(zhǔn)的方法，用來模擬及測量功率管在大信號時的特性。因此，必須在史密斯圖上，針對給定一個輸入功率值時繪制出在不同負(fù)載阻抗是的等輸出功率曲線，幫助找出最大輸出功率時的最佳負(fù)載阻抗。 (2)根據(jù)放大器的要求和晶體管特性確定靜態(tài)工作點。 (4)確定仿真類型 (S參數(shù)仿真、諧波平衡仿真、直流仿真、交流仿真等 )，仿真參數(shù)，以及ADS環(huán)境下所需的一些變量。 (6)優(yōu)化功放電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)。功率管 MRF9045N的模型庫可以再飛思卡爾公司的官方網(wǎng)站上下載。 (2)選擇“ FET_curve_tracer”模板，單擊【 OK】。模板如圖 62所示。 (2)雙擊放入的元件模型調(diào)出屬性對話 框，在“ Parameter Entry Mode”的下拉列表中，找到 MRF9045N并點擊【 OK】選中。 (2)雙擊控件“ DC”，彈出“ DC Operating Point Simulation”對話框，修改參數(shù)，如圖 44所示。 (4)保存為“ dc_sweep”。執(zhí)行菜單命令【 Marker】選擇【 New】，把一個三角標(biāo)志放在圖上，可以控制它的位置，如圖 46所示。 (4)存儲數(shù)據(jù)窗口，默認(rèn)名稱為“ dc_sweep” ,擴(kuò)展名為“ .dds”，該文件會存儲在項目文件夾的目錄中，而數(shù)據(jù)文件，即所有的 .ds文件和數(shù)據(jù)設(shè)定會存儲在 data子目錄中。執(zhí)行菜單【 Insert】選擇【 Template】，點擊“ S_Params”，如圖 48所示。從“ SimulationS_Param”元件面板中跳出測量穩(wěn)定引資的控件“ Stabfct” 。 圖 49 穩(wěn)定性掃描原理圖 穩(wěn)定性分析 仿真完成后在數(shù)據(jù)顯示窗口中點鼠標(biāo)右鍵，選擇插入一個坐標(biāo)圖，然后彈出“ Plot Tracesamp。此時會出現(xiàn)顯示不同頻率下穩(wěn)定因子的坐標(biāo)圖，如圖 410。因此，必須添加 穩(wěn)定性措施。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 共 35 頁 圖 411 選擇電阻電容 (2)連接電路如圖 412，雙擊電阻電容，在彈出的參數(shù)設(shè)置對話框中，將電阻值該為 15 Ohm，將電容改為 33pF。 負(fù)載牽引設(shè)計 LoadPull 插入 LoadPull模板 (1)在原理圖窗口執(zhí)行菜單命令【 DesignGuide】中的【 Amplifier】，彈出“ Amplifer”對話框，如圖 415所示。 (2)在新建 的 HB1Tone_LoadPull原理圖中刪除原有的砷化鎵 FET模型，替換為加入偏置后的 MRF9045N的電路，并按圖 416所示進(jìn)行修改 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 共 35 頁 圖 415 LoadPull 模板選擇 圖 416 修改后的原理圖 確定 LoadPull的范圍 (1)對 416的圖進(jìn)行仿真，彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，如圖 417 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 共 35 頁 圖 417 仿真結(jié)果 從圖中可以看到，所需要的最大功率點和最佳效率點都不在計算范圍內(nèi)。 (2)回到 原理里圖中，改變 VA計算范圍的設(shè)置，如圖 418所示 (3)確定半徑和圓心。為了使計算更精確，設(shè)置點數(shù) pts=500。 (2)用鼠標(biāo)左鍵雙擊功率圓（藍(lán)色）和效率圓（紅色）可以改變線條粗細(xì)，將 m1和 m2移到圓心，即分別為最高效率和最大功率處，再分別雙擊 m m2的標(biāo)簽，彈出“ Edit Marker Properties”對話框，將 Z。 圖 仿真結(jié)果 420 (3)從仿真結(jié)果來看，最大效率是 %，最大功率是 ，而兩個圓心不在一塊，綜合所得到的結(jié)果，為了使效率與功率都接近最佳，我們選擇 impedance=+j*陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 共 35 頁 為 MRF9045N在 945MHz的輸出阻抗。因為要求對輸出阻抗共軛匹配，所以負(fù)載電阻為 *。 (3)點擊 OK進(jìn)入史密斯圓圖的匹配界面。 (4)鎖定阻抗后，將在史密斯圓圖上出現(xiàn)一個圓圈代表阻抗所在的位置，然后點擊左邊Palette欄中的微帶線以及電容標(biāo)志，可以在圓圖中繪制曲線，一直到達(dá)到匹配點位置為止。右上的圖顯示的是 S11曲線，可以看出匹配良好，右下角的顯示 的是匹配電路。 (6)回到原理圖，選擇 SmithChat元件，然后單擊 圖標(biāo)可以查看具體的匹配電路，如圖 423所示 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 共 35 頁 圖 423 生成 的輸出匹配電路 (7)MRF9045N的輸出輸入口均由最大為 *，所以，為了更好的匹配及方便焊接，該功率管的輸入輸出微帶應(yīng)該比電極大。從成本考慮，介質(zhì)基片采用 Er= 1mm厚的環(huán)氧玻纖板 FR4。執(zhí)行菜單命令【 Tools】，選擇【 LineCalc】，就可以再此計算微帶。圖 423 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 共 35 頁 圖 423 完成匹配的原理圖 用實際元件替換輸出匹配電路 (1)將原理圖中的微帶線用實際微帶線替代，電容用庫里所帶的電容進(jìn)行替換，然后再次進(jìn)行仿真。 SourcePull (1)在原理圖窗口中，執(zhí)行菜單命令【 DesignGuide】中的【 Amplifier】，彈出“ Amplifier”對話框，選擇“ SourcePullPAE,Output Power Contours” 模板。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 共 35 頁 圖 425 設(shè)置完成源阻抗匹配的電路 (2)按確定 LoadPull參數(shù)的方法調(diào)整好 SourcePull的范圍后，進(jìn)行仿真，計算得出輸入阻抗的值為 *，如圖 426所示。在史密斯圓圖中進(jìn)行同前面所述一樣的匹配，如圖 427 (4)生成電路圖，添加 S參數(shù)仿真控件與 MSub控件，如圖 428所示 (5)用實際元件進(jìn)行替換，然后進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖 429所示，從仿真結(jié)果來看輸入電阻匹配良好。設(shè)置漏極電壓為 28V，柵極電壓為 。 圖 430 諧波平衡仿真的原理圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 25 頁 共 35 頁 圖 431 未優(yōu)化前的電路仿真結(jié)果 其中， GpGp[0]并不存在，需要在數(shù)據(jù)顯示框中單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 insert里的 plot，在里面選擇 Equations這一項，并在右邊所示的框里雙擊一個項，在里面添加一個新的GpGp[0]的函數(shù)即可以顯示出結(jié)果來。因此，必須對電路進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計要求。但要注意 MTaper的方向。在原理圖中各器件都可以很好的按中心連接，但實際電路中是不可能的，要盡量根據(jù)實際情況搭建電路模型 圖 432 MTaper元件和 Mtee元件 為了完善電源偏置電路，加入了更多的去耦電容。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 26 頁 共 35 頁 圖 433 微帶線的優(yōu)化設(shè)置 雙擊輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中的電容，選擇優(yōu)化設(shè)置如圖 434 圖 434 電容 的優(yōu)化 (3)加入如圖 435所示的各種控件，并按圖所示設(shè)定參數(shù)。注意不能再優(yōu)化的同時進(jìn)行功率掃描。等優(yōu)化完成后單擊 將OPTIM控件關(guān)掉后將 “ SweepVar”改為 “ SweepVar=Pin”后 再進(jìn)行仿真，否則仿真將不能運行。 (5)將修改后的電路進(jìn)行優(yōu)化仿真，多次試驗后發(fā)現(xiàn)無法得出需要的結(jié)果。修改后的圖如 436所示 (6)繼續(xù)第 4步敘述的步驟，經(jīng)過多次仿真后，得出最優(yōu)的結(jié)果如圖 437所示 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 28 頁 共 35 頁 圖 437 優(yōu)化完成后的電路參數(shù) 從圖中可以看出，在輸入功率為 30dBm時，該電路輸出功率為 46dBm，小信號增益為 16dBm，功率附加效率為 %， 1dB增益壓縮率為 。 印制電路板圖 生成印制電路版圖 (1)將優(yōu)化后的原理圖另存為“ PowerAmplifier_Symbol”，然后刪除所有的控件、 Term及電源，用 Port代替，如圖 438所示 (2)執(zhí)行菜單命令【 Layout】中的【 Generate/Update Layout】彈出“ Generate/Update Layout”對話框，如下圖所示。因而微波功率放大器的優(yōu)化和設(shè)計研究是一項非常重要的課題 。 本文對微波功率放大器的進(jìn)行了設(shè)計。進(jìn)而本文首先對大信號功率放大器的非線性性進(jìn)行研究，并介紹了各種線性化技術(shù)的基本原理；隨后又提出了各種大信號功率放大器的設(shè)計方法。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 31 頁 共 35 頁 致謝 在論文完成之際，我首先要向我的指導(dǎo)老師 賈建科老師 致以誠摯的謝意和崇高的敬意。這些無時無刻都在影響著我，使我深受啟發(fā)，是我學(xué)習(xí)的楷模。在此，請允許我再次向老師致以崇高的敬意和由衷的感謝！ 在此，我還要向 我們組的同學(xué) 致以深深的敬意，感謝他們一直對我的學(xué)習(xí)、工作、生活給予的關(guān)心、指導(dǎo)和幫助。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 32 頁 共 35 頁 參考文獻(xiàn) [1] 樊建成。微波與衛(wèi)星通信， 1995. pp4347 [2] . 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