射頻電路設(shè)計(jì)四

1、射頻電路設(shè)計(jì)射頻電路設(shè)計(jì)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院目 錄 第一章 引言 第二章 傳輸線(xiàn)分析 第三章 Smith圓圖 第四章 單端口網(wǎng)絡(luò)和多端口網(wǎng)絡(luò) 第五章 有源射頻器件模型 第六章 匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò) 第七章 射頻仿真軟件ADS概況 第八章 射頻放大器設(shè)計(jì) 第九章 射頻濾波器設(shè)計(jì) 第十章 混頻器和振蕩器設(shè)計(jì)第四章單端口網(wǎng)絡(luò)和多端口網(wǎng)絡(luò)主要內(nèi)容： 建立基本網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出關(guān)系 給出網(wǎng)絡(luò)連接的規(guī)則 介紹基于功率波關(guān)系的散射參量（S參量）4.1 基本定義4.2 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)4.3 網(wǎng)絡(luò)特性及其應(yīng)用4.4 散射參量 4.1基本定義基本規(guī)則：不管單端網(wǎng)絡(luò)還是N端網(wǎng)絡(luò)，電流的腳 標(biāo)指明它流入的相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)端口；電壓的腳標(biāo)

2、指明測(cè)量該電壓的相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)端口。如圖一、阻抗、導(dǎo)納參量根據(jù)雙腳標(biāo)阻抗參量Znm建立電壓電流關(guān)系，其中n和m的取值從1到N。各網(wǎng)絡(luò)端口(n；1N)的電壓為，1端口由此可見(jiàn)，每個(gè)端口n不但受到本端口阻抗Znn的影響而且也受到其他所有端口阻抗線(xiàn)性疊加效果的綜合影響。變換成阻抗矩陣阻抗矩陣(Z矩陣矩陣)形式：表明當(dāng)?shù)贛端口的輸入電流為im而且其他端口均為開(kāi)路狀態(tài)(即km時(shí)，iko)時(shí)，第n端口測(cè)得的電壓是vn。4.1 基本定義采用電壓作為自變量，則電流可以表示為導(dǎo)納矩陣導(dǎo)納矩陣(Y矩陣矩陣)的元素為顯然阻抗矩陣與導(dǎo)納矩陣互為倒數(shù)阻抗矩陣與導(dǎo)納矩陣互為倒數(shù)4.1 基本定義例題41形網(wǎng)絡(luò)的矩陣參量如圖42所

3、示，已知形網(wǎng)絡(luò)(由于網(wǎng)絡(luò)的形狀類(lèi)似于希臘字母而得名)由阻抗ZA，ZB以及ZC構(gòu)成，求解該網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣4.1 基本定義結(jié)論：線(xiàn)性、無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣都是對(duì)稱(chēng)的。對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)表達(dá)為： Znm=Zmn (49)根據(jù)(49)式，導(dǎo)納矩陣同樣有此關(guān)系。事實(shí)上，可以證明任何互易網(wǎng)絡(luò)(即無(wú)源、線(xiàn)性)且無(wú)耗的N端口網(wǎng)絡(luò)都是對(duì)稱(chēng)的。注意：通過(guò)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)端口為開(kāi)路或短路狀態(tài)，可以很容易地測(cè)得全部矩陣元素。然而，隨著頻率不斷升高并達(dá)到射頻界限，終端的寄生效應(yīng)則已不能忽略，此時(shí)必須采用其他測(cè)量方法。4.1 基本定義二、h參量和ABCD參量除了阻抗和導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)參量以外，根據(jù)電壓和電流參考方向的不同規(guī)

4、定，還可導(dǎo)出兩套更有用的參量。就兩端口網(wǎng)絡(luò)而言，根據(jù)圖41，定義：ABCD參量矩陣(級(jí)連矩陣)：h參量矩陣(混合矩陣)：這些矩陣元素的計(jì)算方法與前面介紹的阻抗矩陣、導(dǎo)納矩陣元素的計(jì)算方法完全相同。如：h參量矩陣元素h21和h12分別定義了正向電流和反向電壓增益，另外兩個(gè)元素確定了網(wǎng)絡(luò)的輸人阻抗(h11)和輸出阻抗(h22)。故 h參量經(jīng)常被用于分析低頻晶體管模型4.1 基本定義大多數(shù)實(shí)用晶體管的電流放大系數(shù)都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的，而且集電極發(fā)射極電阻也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基極發(fā)射極電阻。則簡(jiǎn)化晶體管的上述h參量矩陣元素表達(dá)式：注意：由于上例中出現(xiàn)了電流源，h參量矩陣就不再是對(duì)稱(chēng)的(h12h21)，而且晶體管模型

5、也不是互易的。在低頻電子電路設(shè)計(jì)中，參量矩陣元素通常用hie表示h11，hre表示h12， hfe表示h21 , hoe表示h224.1 基本定義下面通過(guò)例題，說(shuō)明根據(jù)已知的h參量矩陣導(dǎo)出BJT的內(nèi)阻。4.2 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 一、網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)圖4.4一對(duì)雙端口網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)，每個(gè)電壓可以相互疊加而每個(gè)電流保持不變。其結(jié)果是 由于可能發(fā)生短路（如右圖），必須注意防止不加選擇地將不同網(wǎng)絡(luò)相連。如右下圖所示，引入變壓器可以防止短路情況的發(fā)生在此例中變壓器使第2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出端口相互隔離。然而，這種方法只能適用于交流信號(hào)，因?yàn)樽儔浩鞯淖饔檬歉咄V波器、它阻斷了所有直流分量。4.2 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸出端口交

6、叉連接時(shí)，采用h參量描述最為合適。 當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用下圖所示方式相連接時(shí)，輸入端口的電壓和輸出端口的電流都符合疊加關(guān)系(即v1v1+v1”和i 2=i2+i2”)，而輸出端口的電壓和輸入端口的電流則相等(即v2v2=v2”和i1ilil”)。此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)的h參量等于單個(gè)參量等于單個(gè)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)h參量的總和：參量的總和：如：達(dá)林頓晶體管Q1和Q2的就是這種連接方式4.2 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 二、網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián) 一對(duì)用導(dǎo)納矩陣y和y表示的并聯(lián)兩端口網(wǎng)絡(luò)如圖48所示，與(416)不同的是其中電流可以疊加4.2 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)三、 級(jí)連網(wǎng)絡(luò)如右圖：第1個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸出電流與第2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸入電流在數(shù)值上相等，符號(hào)相反(即i

7、2-i2)。第1個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸出端口的電壓降v2等于第2個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸入端口的電壓降v1。 ABCD參量特別適合于描述級(jí)連網(wǎng)絡(luò)，例如圖49所示的雙晶體管配置：所以、可以寫(xiě)出如下關(guān)系：整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的ABCD參量矩陣等于各個(gè)網(wǎng)絡(luò)參量矩陣等于各個(gè)網(wǎng)絡(luò)ABCD參量矩陣的乘積。參量矩陣的乘積。4.2 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 四、 ABCD網(wǎng)絡(luò)參量計(jì)算 二端口網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成復(fù)雜電路的基本單元，因此，只要知道了二端口網(wǎng)絡(luò)的ABCD參量，就可通過(guò)級(jí)連方式計(jì)算得到復(fù)雜電路的ABCD參量。 常用的基本二端口網(wǎng)絡(luò)的ABCD參量計(jì)算：傳輸線(xiàn)、串聯(lián)阻抗以及無(wú)源T形網(wǎng)絡(luò)等。全部計(jì)算結(jié)果都列在本小節(jié)末屆的表41中。例題45 求解7形網(wǎng)絡(luò)的4刪參量

8、矩陣 求解下面圖中所示7形網(wǎng)絡(luò)的朋cD參量矩陣：解：這個(gè)問(wèn)題可以采用兩種不同的方法求解。第1種方法是直接應(yīng)用ABCD參量矩陣元素的定義。按照前一例題的方法計(jì)算短陣元素。另一種方法是利 表41以?xún)啥丝诰W(wǎng)絡(luò)ABCD參量的形式總結(jié)了6種最常用的電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)這6種基本模型，大多數(shù)復(fù)雜電路都可以通過(guò)這些基本網(wǎng)絡(luò)的適當(dāng)搭配構(gòu)成。一、 網(wǎng)絡(luò)參量之間的換算關(guān)系 由于電路結(jié)構(gòu)的特殊性，有時(shí)需要在不同網(wǎng)絡(luò)參量之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換以便得到特定的輸入、輸出特性表達(dá)式。例如，低頻晶體管參數(shù)通常以h參量的形式給出，然而，當(dāng)晶體管與其他網(wǎng)絡(luò)級(jí)連時(shí)，ABCD參量也許是更合適的形式。所以，將h參量和ABCD參量相互轉(zhuǎn)換可以大大簡(jiǎn)化問(wèn)

9、題的難度。1、從已知的從已知的A參量矩陣導(dǎo)出參量矩陣導(dǎo)出ABCD參量矩陣參量矩陣由定義式(411)，A元素可以表示為：4.3網(wǎng)絡(luò)特性及其應(yīng)用同理，可求出其他元素；這就是從h參量到ABCD參量的變換結(jié)果。同樣辦法可實(shí)現(xiàn)ABCD參量到h參量的變換4.3網(wǎng)絡(luò)特性及其應(yīng)用2、從、從ABCD參量到參量到Z參量的變換參量的變換 依據(jù)電壓、電流定義的相應(yīng)關(guān)系可以直接求解網(wǎng)絡(luò)參量之間的所有變換關(guān)系。為了使用方便，表42總結(jié)了前面定義的4種網(wǎng)絡(luò)參量的變換關(guān)系式(全部變換公式見(jiàn)附錄H)。4.3網(wǎng)絡(luò)特性及其應(yīng)用二、微波放大器分析 通過(guò)一個(gè)實(shí)例，利用不同網(wǎng)絡(luò)參量之間的變換關(guān)系分析一個(gè)較復(fù)雜的電路。討論如圖410所示的

10、特定微波放大器電路。4.3網(wǎng)絡(luò)特性及其應(yīng)用 采用高頻混接形網(wǎng)絡(luò)描述晶體管如右圖，其h參量矩陣為4.3網(wǎng)絡(luò)特性及其應(yīng)用晶體管的h參量矩陣變換為Y參量矩陣，再利用并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的求和規(guī)則，將結(jié)果與反饋電阻的Y參量矩陣相加。得：4.3網(wǎng)絡(luò)特性及其應(yīng)用 4.3網(wǎng)絡(luò)特性及其應(yīng)用4.4 散射參量 在實(shí)際射頻系統(tǒng)不能再采用終端開(kāi)路、短路的測(cè)量方法，而是利用散射參量（S參量），在避開(kāi)不現(xiàn)實(shí)的終端條件且避免待測(cè)器件損壞的前提下，用二端口網(wǎng)絡(luò)分析的方法確定射頻器件的特性。一、散射參量的定義 S參量表達(dá)的是功率波。故可用入射功率波和反射功率波的方式定義網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出關(guān)系。4.4 散射參量4.4 散射參量4.4 散射參量二、散射參量的物理意義4.4 散射參量4.4 散射參量4.4 散射參量4.4 散射參量4.4 散射參量4.4 散射參量4.4 散射參量 三、鏈形散射矩陣4.4 散射參量由系統(tǒng)可見(jiàn)4.4 散射參量(步驟同前4.3節(jié))4.4 散射參量4.4 散射參量四、Z參量與S參量之間的轉(zhuǎn)換附錄D列出了全部6套網(wǎng)絡(luò)參量的換算關(guān)系.由S參量的定義推導(dǎo)得：4.4 散射參量五、信號(hào)流圖模型 利用信號(hào)流圖，簡(jiǎn)化射頻網(wǎng)絡(luò)以及他們之間整體互連關(guān)系的分析過(guò)程。