微波通信微波放大器的设计讲解教学文稿.doc

微波通信微波放大器的设计讲解

微波通信
课程设计说明书

微波低噪声放大器的设计

起止日期： 年 月 日 至 年 月 日

学生姓名

班级

学号

成绩

指导教师(签字)

年 月 日
课题名称
微波放大器的设计
人 数

组 长

同组人员

课
题
的
主
要
内
容
和
要
求
一、设计目的
1.了解射频放大器的基本原理与设计方法。
2.利用实验模组实际测量以了解放大器的特性。
3.学会使用微波软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果。
二、设计任务
主要内容：
1、了解射频放大器的基本原理与设计方法。
2、利用实验模组实际测量以了解放大器的特性。
3、学会使用微波软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果。
主要任务：
1、双边放大器设计。
2、单边放大器设计。
3、单边设计评价因子。
4、放大器的稳定条件。
三、设计工作量
2周完成

具体任务

1、了解射频放大器的基本原理与设计方法。
2、利用实验模组实际测量以了解放大器的特性。
3、学会使用微波软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果。

时间安排与完成情况

目录

一、设计原理............................................1
二、设计设备............................................4
三、设计步骤............................................4
四、设计结果及分析......................................5
五、软件仿真............................................7
六、总结体会............................................13

微波放大器的设计
一、 设计原理
一个射频晶体放大器电路可分为三大部分：二端口有源电路、输入匹配电路及输出匹配电路，如图1所示。一般而言，二端口有源电路采用共射极（或共源极）三极管（BJT、FET）电路，此外，还包括直流偏压电路。而输入匹配电路及输出匹配电路大多采用无源电路，即利用电容、电感或传输线来设计电路。一般放大器电路，根据输入信号功率不同可以分为小信号放大器、低噪声放大器及功率放大器三类。而小信号放大器依增益参数及设计要求，可分成最大增益及固定增益两类。而就S参数设计而言，则可有单向设计及双边设计两种。本单元仅就小信号放大器来说明射频放大器之基本理论及设计方法。
ΓL = ΓOUT *

二端口
有源电路

输出
匹配电路
输入
匹配电路

ΓS
ΓIN = S’11
ΓL
GO
ΓS = ΓIN*
GS
GL
ΓOUT = S’22
R S
R L

图1 放大器电路方框图

1.单边放大器设计（Unilateral Amplifier Design）
所谓单边设计即是忽略有源器件S参数中的S12，即是S12=0。此时可得：
ΓIN = S11 及 ΓOUT = S22
则放大器之单边转换增益(Unilateral Transducer Gain,GTU)为：

其中
假若电路又符合下列匹配条件：
ΓS = S11* 及 ΓL = S22*
则可得到此放大器电路之最大单边转换增益(Maximum Unilaterla Transducer Gain,GTU,max)：

2.双边放大器设计(Bilateral Amplifier Dseign)
双边设计即是考虑有源器件S参数中的S12，即是S12≠0。此时可得：
及
若利用最大增益匹配法（亦称共轭阻抗匹配法），则可得
ΓS =ΓIN* 及 ΓL =ΓOUT*
经过推导可利用下列公式计算出最佳输入反射系数ΓSm和最佳输出反射系数 ΓLm ：
，
其中

3.单边设计评价因子（Unilateral Figure of Merit , M）
在判断有源元件是否适用单边设计时，主要看它的评价因子是否够小。一般而言，当M值小于0.03或-15dB 时即可采用单边设计。
其计算公式如下：

最大增益误差比则为：

其中GT是有源元件的转换增益(Transducer Gain)

4.放大器的稳定条件（Stability Criteria）
（1）无条件稳定Unconditionally stable）
一个良好的放大器设计电路除考虑增益和输出入匹配外，还需要考虑放大器在工件频段中是否为无条件稳定，以避免电路产生振荡。如图11-2所示:
对于一个放大器电路而言，其有源器件在ΓS=0及ΓL=0情况下，无条件稳定的充要条件为
K > 1 ， |S11| < 1 且 |S22| < 1
其中K称为稳定因子（stability factor）

（2）条件稳定（Conditionally stable）
当有源器件不符合上述无条件稳定的三大规定时，即称为条件稳定。在此情况下，在输入端平面及输出端平面，必存一些不稳定区域，如图2所示:
| |cS| - rS | < 1
| S11 | < 1
| |cL| - rL | < 1
| S22 | < 1
cL
rL
rS
cS
稳定区域
(斜线区)

图2 条件稳定圆示意图

而在设计输出入匹配电路时，务必避免使用这些区域，以免造成放大器电路自激。
其对应无条件稳定的条件为
||cS| - rS| > 1，|S11|< 1 且 ||cL| - rL| > 1，|S22|< 1
而条件稳定则是
||cS| - rS| < 1，|S11|< 1 或 ||cL| - rL| < 1，|S22|< 1
（A）输出稳定圆（Load Stability Circle）：

半径 ； 圆心
（B）输入稳定圆（ Source Stability Circle）：

半径 ； 圆心
二、设计设备
项次
设备名称
数量
备注
1
扫频信号源、示波器
1套
亦可用标量网络分析仪
2
放大器模组
1组
RF2KM7-1A
3
50Ω BNC及1MΩ BNC 连接线
4条

4
直流电源连接线
1条
DC-1
5
MICROWAVE软件
1套
微波软件
三、 设计步骤
步骤一：设定放大器工件频率(f0)与输出入阻抗(RS , RL)。一般射频放大器的输出入阻抗设定为50Ω。
步骤二：根据电源选用晶体三极管，同时设定三极管的偏压条件(VCE,IC)，决定出在该条件下的三极管的S参数(S11,S21, 12,S22)，并设计适用它的偏压电路。
步骤三：将步骤二所获得的S参数代入上述公式计算出下列设计参数：
稳定因子，K
单边设计评价因子，M
最大单边转换增益，GTU,max
输入稳定圆的圆心，CS及半径，rS
输出稳定圆的圆心，CL及半径，rL
最佳输入反射系数 ΓSm
最佳输出反射系数 ΓLm
步骤四：检查K值是否小于1。若K值大于1，则为无条件稳定可进行下一步骤。若小于，则须将输出入稳定圆标示于单位圆的史密斯圆图上，以便在设计输出入匹配电路时，避免使用到不稳定区域（如图11-2）所示。
步骤五：检查M值是否够小。
（1）若M值接近0.03(-15dB)则适用单边设计，可得
ΓS = S11* 及 ΓL = S22*
最大增益即为GTU,max
（2）若M值大于0.03(-15dB)则须用双边设计，可得
ΓS =ΓSm 及 ΓL =ΓLm
最大增益即为GT,max
步骤六：利用步骤五所得ΓS及ΓL设计输出入匹配电路。
四、 设计结果及分析
利用ATF-35143设计一2000MHz放大器。其中电源为5VDC，输出入阻抗为50Ω。ATF-35143的S参表(VCS=2V，IDS=10mA，Zo=50Ω，TA=25℃)如下表：
Freqency
(GHz)
S11
S21
S12
S22
Mag.
Ang.
Mag.
Ang.
Mag.
Ang.
Mag.
Ang.
0.5
0.49
-153
12.7
98
0.030
50
0.42
-35
0.6
0.48
-159
10.7
94
0.034
52
0.39
-35
0.7
0.48
-163
9.3
90
0.037
53
0.38
-35
0.8
0.47
-167
8.2
87
0.040
55
0.37
-36
0.9
0.47
-170
7.3
85
0.044
56
0.36
-37
1.0
0.47
-171
6.6
82
0.047
57
0.37
-38
1.5
0.44
177
4.9
71
0.065
59
0.40
-42
2.0
0.41
163
3.4
61
0.083
58
0.42
-45
ATF-35143 Electrical Specifications

TA = 25°C, RF parameters measured in a test circuit for a typical device

Symbol
Saturated Drain Current

Units
Min.
Typ.
Max
Idss
Pinchoff Voltage
VDS = 1.5 V, VGS = 0 V
mA
40
65
80
VP
Quiescent Bias Current
VDS = 1.5 V, Ids =10%Idss
V
-1
-0.5
-0.4
Id
Transconductance
VGS = 0.45 V, VDS = 2 V
mA

15

gm
Gate to Drain Current
VDS = 1.5 V, gm = Idss /VP
mmho
90
120

IGDO
Gate Leakage Current
VGD = 5 V
μA

250
Igss

VGD = VGS = -4 V
mA

10
150
NF
Noise Figure[3]
f = 2 GHz VDS = 2 V, IDS = 15 mA VDS = 2 V, IDS = 5 mA
dB

0.4 0.5

f = 900MHz VDS = 2 V, IDS = 15 mA VDS = 2 V, IDS = 5 mA
dB

0.3 0.4

Ga
Associated Gain[3]
f = 2 GHz VDS = 2 V, IDS = 15 mA VDS = 2 V, IDS = 5 mA
dB
16.5 14
18 16
19.5 18
f = 900MHz VDS = 2 V, IDS = 15 mA VDS = 2 V, IDS = 5 mA
dB

20 18

OIP3
Output 3rd Order Intercept Point
f = 2 GHz VDS = 2 V, IDS = 15 mA VDS = 2 V, IDS = 5 mA
dB

21 14

f = 900MHz VDS = 2 V, IDS = 15 mA VDS = 2 V, IDS = 5 mA
dB

19 14

P1dB
1 dB Compressed Intercept Point
f = 2 GHz VDS = 2 V, IDS = 15 mA VDS = 2 V, IDS = 5 mA
dB

10 8

f = 900MHz VDS = 2 V, IDS = 15 mA VDS = 2 V, IDS = 5 mA
dB

9 9

设计结果分析：
经公式计算结果，有源器件的K值在工件频率上大于1，为无条件稳定。此结果也可由输出输入稳定圆来验证。输入稳定圆的圆心距离大小| cS | = 2.675，大于其半径大小rS = 1.644，输出稳定圆的圆心距离大小| cL | = 4.123，也大于其半径大小rL = 3.085，故可证得为无条件稳定。而计算所得单边设计评价因子M=0.08>0.03，所以不可以用单边设计，而须采用双边设计。
经双边设计计算公式，可得：
最佳输入反射系数 ΓSm=0.821⊿172.6o
最佳输出反射系数 ΓLm=0.787⊿41.2o
最大转换增益 GTmax=20.821dB。
本例中最佳输入反射系数和最佳输出反射系数经匹配F0，再加入偏压电路后，可得该放大器电路及模拟结果。

五、软件仿真
1、进入微波软件MICROWAVE。
2、在原理图上设计好相应的电路，设置好P1,P2,P3,P4端口，完成频率设置、尺寸规范、器件的加载、仿真图型等等的设置。
3、最后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形。
4、电路图，接着是相应的仿真图。

图3 模拟结果

仿真过程：
使用Ansoft Designer SV
第一步：建立电路图（工程→插入电路设计→空白）
第二步：添加衬底信息（电路→加入模型数据→加入衬底定义）

电介质
金属化
材料
电阻
厚度
单位
H : 20 milEr : 3.38TAND: 0.0021(2.4GHz)
铜
1.72414
0.669
mil(千分之一英寸)

第三步：添加BFP540（画图→N－节点）

第四步：设定仿真频率范围（电路→添加分析设置）

第五步：执行仿真（电路→分析）

第六步：确定仿真结果（电路→报告）

第七步：稳定性校验（电路→史密斯工具）

第八步：稳定性：在晶体管输出端口连接平行电阻器

第九步：执行仿真（电路→分析）
第十步：稳定性校验（电路→史密斯工具）

第十一步：选择功率反射系数（电路→史密斯工具）：Ga=11.8dB, NF=1.33 Circle

第十二步：设计输入匹配电路（电路→史密斯工具→匹配符）

第十三步：确定负载反射系数

第十四步：设计输出匹配电路（电路→史密斯工具→匹配符）

第十五步：完成电路

第十六步：执行仿真（电路→分析）
第十七步：确定仿真结果（电路→报告）

最终仿真结果
增益
11.93dB
NF（噪声系数）
1.53dB
输入回波损耗
12.6 dB
输出回波损耗
18.6 dB
4、布局图

六、总结体会
这次课程设计，总体来说让我懂得很多知识，受益匪浅。
首先动手实践比理论课更具趣味性，同时更具挑战性。再者让我对“实践是检验真理的唯一标准”这句话又有了进一步的理解。理论是实践的基础，实践是检验真理的唯一标准，不懂理论进行实验对我们学习是没有作用的。本次课程设计，我进一步理解了课堂上老师所讲的知识，同时学到了一些书本以外的知识。此外，我发现理论知识也非常重要，首先要了解熟悉微波低噪声放大器原理和微波低噪声放大器设计相关理论知识。然后了解射频放大器的基本原理与设计方法，利用实验模组实际测量以了解放大器的特性以及学会使用微波软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果。通过本次课程设计，我对射频放大器的基本原理、微波低噪声放大器的设计的理解进一步巩固和加深了，提高了综合运用本课程所学知识的能力；培养了我选用参考书，查阅手册及文献资料的能力；培养了我独立思考，深入研究，分析问题、解决问题的能力；培养了我严肃认真的工作作风，逐步建立正确的生产观念、经济观念和全局观念。
课程设计是把我们所学的理论知识进行系统的总结并应用于实践的良好机会，有利于加强我们用知识理论来分析实际问题的能力，进而加强了我们对知识认识的实践度，巩固了我们的理论知识，深化了对知识的认识，并为走向社会打下一个良好的基础。
过程中也遇到许多问题和麻烦，在得到老师的指导和同学的帮助下，较顺利地进行了本次课程设计。此外，一个团队分工合作很重要，没有完不成的任务，只有不团结的队伍。我们积极讨论，各抒己见，通过整个小组成员的努力，在愉快的合作中很好的完成了自己的任务，成功地设计出了我们的微波低噪声放大器。
本次课程设计老师要求很严格，我也真正收获了不少知识，不论是书面知识还是生活领悟。不管是一次小小的课程设计，还是将来的学习工作甚至是生活，都要严格要求自己，严格要求自己会让我们更好地完成每一件事，也培养了我们严谨的工作生活态度。
在以后的学习中，我们不仅要学好理论知识，打好基础，也要注重实践，真正做到在实践中深化理论，灵活运用所学理论知识，把自己培养成全面发展的当代大学生。