【正文】 序 ..................................... 40 等駐波比圓圖設(shè)計(jì)程序 ....................................... 43 謝 辭 ................................................... 48 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目要求 基于 Matlab 的 RF 電路設(shè)計(jì)與仿真 一、 主要研究?jī)?nèi)容： 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是完成 基于 Matlab 的 RF 電路設(shè)計(jì)與仿真，主要是 RF 功率放大電路部分，涉及大量射頻電路設(shè)計(jì)的理論知識(shí) 。 二、 主要任務(wù)及目標(biāo)： 主要任務(wù)： 主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn) 基 于 Matlab 的 RF 電路設(shè)計(jì)與仿真，應(yīng) 包括以下幾個(gè)方面： . RF 電路的基本知識(shí)了解 ； RF 電路功放部分的設(shè)計(jì) ； Matlab 中 RF 工具的了解 ； RF 功放電路性能的分析 ； 目標(biāo)： 了解 RF 電路及系統(tǒng)的知識(shí) ； RF 電路設(shè)計(jì) Matlab 工具的使用 RF 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 。從第 1代模擬蜂窩移動(dòng)通信，到當(dāng)前普遍使用的第 2 代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信，再到以寬帶、多媒體業(yè)務(wù)為標(biāo)志的第 3代移動(dòng)通信，無(wú)論從用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)范圍，還是從服務(wù)質(zhì)量上都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 當(dāng)今無(wú)線通信研究越來(lái)越熱，應(yīng)用非常廣泛，使人與人之間的通信更加方便快捷，更具有市場(chǎng)發(fā)展前景 ，而這些無(wú)線通信技術(shù)主要的應(yīng)用是射頻技術(shù)。射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡(jiǎn) 稱。射頻的基本原理是電磁理論：在電子學(xué)理論中，電流流過(guò)導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會(huì)形成磁場(chǎng)；交變電流通過(guò)導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會(huì)形成交變的電磁場(chǎng)，稱為電磁波，電磁波可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力。所以 RF 射頻技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域具有廣泛而不可替代的作用。這些不同方面的要求使得功率放大器的設(shè)計(jì)者要面面俱到地考慮到很多指標(biāo)的平衡 ,射頻功率放大器的設(shè)計(jì)也成為無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟之一。由于 Smith 圖解法只是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，方便而又直觀，因而得到廣泛應(yīng)用。 Matlab 是一種現(xiàn)在被廣泛使用的軟件，具有強(qiáng)大的計(jì)算和仿真功能，如果能夠把它很好的應(yīng)用到 RF 電路中去，就能有效的減輕工程設(shè)計(jì)的工作量和提高設(shè)計(jì)精度。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 射頻技術(shù)現(xiàn)狀 近些年，無(wú)線通信事業(yè)經(jīng)歷了從第一代模擬系統(tǒng)（ 1G）到現(xiàn)已投入使用的第三代移動(dòng)通信 3G系統(tǒng)的演變。射頻技術(shù)不但應(yīng)用在無(wú)線通信上，而且在醫(yī)療上的應(yīng)用也在逐擴(kuò)大范圍?，F(xiàn)在射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在日常生活中起著舉足輕重的作用。 射頻技術(shù)發(fā)展方向 無(wú)線傳輸發(fā)展了近二百年，形成了大量的用戶和產(chǎn)品群，但是，由于氣候的變化和地表障礙物的影響，不能傳輸完美的信息。產(chǎn)生了射頻傳輸這一概念。在此基礎(chǔ)上，還必須基于數(shù)字電路的發(fā)展，提高射頻電 路在多標(biāo)準(zhǔn)、多模式環(huán)境下的應(yīng)用能力，也就是通常所說(shuō)的 “ 軟件無(wú)線電技術(shù) ” 。隨著寬帶無(wú)線系統(tǒng)的不斷推出，系統(tǒng)對(duì)于信道利用率的要求越來(lái)越高，這對(duì)信道編碼技術(shù)及空中接口技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。射頻芯片的挑戰(zhàn)還包括更高的接收靈敏度和更低的噪聲系數(shù)，優(yōu)異的性能是對(duì)產(chǎn)品的最基本要求?，F(xiàn)在的 射頻電路從根本上來(lái)說(shuō)是以模擬電路為主的混合信號(hào)電路。射頻端必須著重在降低功耗、加速不同工藝的整合及降低成本上努力。另外一項(xiàng)就是將功率放大器的制作工藝進(jìn)步到 CMOS，以便與收發(fā)器的芯片相整合，在降低功放的功耗上則應(yīng)設(shè)計(jì)高效率的功放操作，在飽和條件下與前述的極化調(diào)制相對(duì)應(yīng)。 電路復(fù)雜度的提升和尺寸的縮小意味著射頻芯片將具有更高的集成度。 射頻技術(shù)主要有：藍(lán)牙射頻技術(shù)、超寬帶、沖激無(wú)線電、 WiFi、 WiMAX 和蜂窩廣域通信。藍(lán)牙使用跳頻方式來(lái)擴(kuò)展頻譜。 超寬帶 (UWB)是一種無(wú)線射頻技術(shù)，支持家電、電腦外設(shè)和移動(dòng)設(shè)備在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)，且功耗非常低。 UWB 技術(shù)使用寬帶無(wú)線頻譜在短距離 (如在家中或小型辦公室中 )內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)相比，它能夠在特定時(shí)段通過(guò)無(wú)線方式傳輸更多的數(shù)據(jù)。 沖激無(wú)線電 (Impulse Radio， IR)是最有希望的超寬帶技術(shù)之一。偽隨機(jī)性依靠跳時(shí)碼實(shí)現(xiàn)，跳時(shí)碼的作用是讓發(fā)射信號(hào)隨機(jī)化，有利于用戶分隔和譜成形，以避免竊聽(tīng)。為了確保低成本的超寬帶設(shè)備，所有脈沖都具有同一波形。 本文研究的目標(biāo) 通過(guò)對(duì) RF 電路及系統(tǒng)的知識(shí)的學(xué)習(xí)與了解，進(jìn)行 RF 電路中部分模塊主要是功率放大電路的設(shè)計(jì)，并利用 Matlab 工具對(duì)設(shè)計(jì)電路的各方面性能進(jìn)行測(cè)試分析。 第二章和第三章是文章的基礎(chǔ)內(nèi)容，介紹了 RF 放大器設(shè)計(jì)的原理和工具。 第四章 通過(guò) 兩種不同的設(shè)計(jì)方法對(duì)放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 2 射頻電路設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 射頻（ RF）電路的設(shè)計(jì)既借鑒了低頻音頻電路的設(shè)計(jì)方法，又借鑒了微波電路的設(shè)計(jì)方法，但是和這些技術(shù)是有重要差異的。在當(dāng)前的應(yīng)用中，射頻的范圍一般指 30MHZ到 4GHZ。在這個(gè)范圍內(nèi)，工程師必須考慮輻射、寄生耦合，以及電路元件的頻率響應(yīng)。典型應(yīng)用是移動(dòng)電話和無(wú)線局域網(wǎng)（ WLAN）。 輸入信號(hào)經(jīng)數(shù)字處理后，再通過(guò) DAC回到模擬形式。 數(shù) 字 電 路 ? LPF 發(fā)射功率放大器 接收功率放大器 PA PA ADC DAC 模數(shù)變換器 數(shù)模變換器 低通濾波器 OSC. 本地振蕩器 切換開(kāi)關(guān) 混頻器 混合信號(hào)電路 模擬信號(hào)電路 圖 21 一般射頻系統(tǒng)方框圖 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 Smith 圓圖的構(gòu)成和工作原理 Smith 圓圖是把特征參數(shù) 0Z 、 ? (傳播常數(shù) )、長(zhǎng)度 L 和工作參數(shù)（反射系數(shù) ? 、阻抗 ? 、電壓駐波比 ? ）組合成一體，把阻抗平面和反射系數(shù)平面直角坐標(biāo)系映射成為極坐標(biāo)系，采用圖解法進(jìn)行微波傳輸研究的一種專用圓圖 。反射系數(shù)的模和駐波比是一一對(duì)應(yīng)的，故又稱為等駐波圓。 阻抗圓圖 )(1 )(1)()( 0 zzZ zZzZ ?? ????? （ ） 將（ 1）代入上式，得到： XjRjzZiriirir ?????? ?????? ?????? 2222 22 )1( 2)1( )(1)( () 式中2222)1()(1irirR ???? ????? ， 22)1( 2iriX ???? ?? 其中 R 稱為歸一化的電阻， X 稱為歸一化的電抗，可以分別化成下述方程： ?? ????? jzj eez ?2)(ir jz ????? )(北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 222 )1 1()1( RRR ir ??????? () 222 )1()1()1( XXir ?????? () 上述方程（ ）和（ ）在復(fù)平面上分別表示兩組圓：等電阻圓方程、等電抗圓方程。如下圖 22： （ ）式以歸一化的電抗 X 為參變量的一組圓。圓心坐標(biāo)的軌跡在直線 1??i 上。如下圖 23： 圖 22 等電阻圓 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 把阻抗圓圖旋轉(zhuǎn) ?180 就可以得到導(dǎo)納 圓圖，其構(gòu)成原理和使用方法與阻抗圓圖相似。 匹配點(diǎn) 電壓波腹 電壓波節(jié) 純阻線 r? 圖 23 等電抗圓 i? 純電抗線 實(shí)軸表示阻抗純阻點(diǎn)，因此，可由電阻 r 對(duì)應(yīng)出電壓駐波比 ? ， 如圖 24所示。根據(jù)圖 25，可以定義歸一化入射功率 na 和歸一化反射功率 nb 如下： )(2 1 00 nnnIZVZa ?? （ ） )(2 1 00 nnnIZVZb ?? （ ） 其中下標(biāo) n 為端口編號(hào) 1 或 2。（假設(shè)輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗相同。 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。 2 端口情況同 1 端口。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。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。放大器的指標(biāo)是由其在特定偏置條件下的 S 參量確定的。 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。b1a1b2a239。Γo u tΓLΓi nPL 射頻源 圖 32中，信號(hào)源電壓為： )1(39。139。1b 的入射功率波 (即放大器的入射功率 )為：22239。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。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。穩(wěn)定性意味著反射系數(shù)的模小于 1。 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。 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)。 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。從圖上可以看出 兩判定圓都落在了 Smith 圓圖之內(nèi)。 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)。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。 ??? 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。 ??? Loutout ZRZ 或 ? ? 0Re 39。應(yīng)盡量避免在輸入端口增加電阻元件，因?yàn)殡娮璁a(chǎn)生的附加噪聲將會(huì)被放大。 圖 35 用 串聯(lián)或并聯(lián)的電阻穩(wěn)定晶體管的輸入端口 圖 36 用 串聯(lián)或并聯(lián)的電阻穩(wěn)定晶體管的輸出端口 北京理工大學(xué)珠