實(shí)驗六 射頻放大器的設(shè)計

實(shí)驗六射頻放大器的設(shè)計、仿真和測試實(shí)驗?zāi)康?、了解描述射頻放大器的主要性能參數(shù)及類型2、掌握放大器偏置電路設(shè)計方法3、了解最小噪聲、最大增益放大器的基本設(shè)計方法4、掌握放大器輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)類型5、掌握用ADS進(jìn)行放大器仿真的方法與步驟二、實(shí)驗原理常用的微波晶體管放大器有低噪聲放大器、寬帶放大器和功率放大器。目的是提高信號的功率和幅度。低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，減小噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)。功率放大器一般在系統(tǒng)的輸出級，為天線提供輻射信號。微波低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有:噪聲系數(shù)與噪聲溫度、功率增益、增益平坦度、工作頻帶、動態(tài)范圍、輸入輸出端口駐波和反射損耗、穩(wěn)定性、1dB壓縮點(diǎn)。二端口網(wǎng)絡(luò)的功率與功率增益及主要指標(biāo)信號源的資用功率實(shí)際功率增益轉(zhuǎn)換功率增益資用功率增益放大器的穩(wěn)定性無條件穩(wěn)定：不管源阻抗和負(fù)載阻抗如何，放大器輸入輸出端反射系數(shù)的模都小于1，網(wǎng)絡(luò)無條件穩(wěn)定（絕對穩(wěn)定）條件穩(wěn)定：在某些范圍源阻抗和負(fù)載阻抗內(nèi)，放大器輸入輸出反射系數(shù)的模小于1，網(wǎng)絡(luò)條件穩(wěn)定（潛在不穩(wěn)定）由于放大器件內(nèi)部S12產(chǎn)生的負(fù)反饋導(dǎo)致放大器工作不穩(wěn)定！穩(wěn)定性設(shè)計是設(shè)計放大器時首要考慮的問題。匹配網(wǎng)絡(luò)與頻率有關(guān)；穩(wěn)定性與頻率相關(guān)；可能情況是設(shè)計的頻率穩(wěn)定而其他頻率不穩(wěn)定。無條件穩(wěn)定的充分必要條件：穩(wěn)定性系數(shù)K輸入、輸出穩(wěn)定性圓(條件穩(wěn)定)：|Гin|=1或|Гout|=1在Smith圓圖上的軌跡輸出穩(wěn)定性圓判別該輸出穩(wěn)定性區(qū)域？穩(wěn)定圓不包含匹配點(diǎn)，|S11|<1時：|Гin|<1，穩(wěn)定，匹配點(diǎn)在穩(wěn)定區(qū)|S11|>1時：|Гin|>1，不穩(wěn)定，匹配點(diǎn)在不穩(wěn)定區(qū)輸入穩(wěn)定性圓（條件穩(wěn)定）最大增益放大器設(shè)計（共軛匹配）源和負(fù)載與晶體管之間達(dá)到共軛匹配時，可實(shí)現(xiàn)最大增益。=1\*GB3①單向情況：=2\*GB3②無條件穩(wěn)定=3\*GB3③最大變換功率增益也稱匹配增益=4\*GB3④<1條件穩(wěn)定源與負(fù)載不能同時共軛匹配4.低噪聲放大器設(shè)計－放大器的噪聲系數(shù)圓源導(dǎo)納為Ys=Gs+Bs時，其噪聲系數(shù)為：Fmin:為最小噪聲系數(shù)；Yopt=Gopt+Bopt:最佳源導(dǎo)納，Rn:為等效噪聲電阻。通過調(diào)節(jié)Ys可達(dá)到最小噪聲系數(shù)對于給定的噪聲系數(shù)（噪聲參量N）。則可定義等噪聲系數(shù)圓噪聲系數(shù)F→等噪聲系數(shù)圓圓心在原點(diǎn)與Гopt的連線上Fmin是個點(diǎn)，其坐標(biāo)為Гopt半徑越大，噪聲越大討論：圓心位于沿幅角的直線上最大增益（gS=1，gL=1）半徑為零，圓心變?yōu)?dB增益圓總是通過Smith圓圖的中心根據(jù)總增益的值確定gS和gL，得到輸入輸出節(jié)的等增益圓，在等增益圓上選擇ΓS和ΓL權(quán)衡反射系數(shù)、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定性6.寬帶晶體管放大器設(shè)計增加帶寬的常用方法：=1\*GB3①補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)——輸入輸出網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜=2\*GB3②電阻性匹配網(wǎng)絡(luò)——增益降低、噪聲變大=3\*GB3③負(fù)反饋——增益和噪聲均惡化=4\*GB3④平衡放大器——直流供電功率翻倍=5\*GB3⑤分布放大器——電路龐大，增益較低基本原理：利用90度混合網(wǎng)絡(luò)消除來自兩個放大器的輸入、輸出反射信號；匹配網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)導(dǎo)納或串聯(lián)阻抗的匹配網(wǎng)絡(luò)，λ/4阻抗變換器的匹配網(wǎng)絡(luò)偏置電路實(shí)驗內(nèi)容及步驟=1\*ROMANI、用ATF-34143設(shè)計2.4GHz低噪聲放大器。晶體管直流工作點(diǎn)分析=1\*GB3①建新工程→建立新設(shè)計=2\*GB3②查詢需要的晶體管。點(diǎn)擊，打開元件庫sp為開頭的是S參數(shù)模型選擇ph開頭的模型，將晶體管拖入原理圖窗口，放入晶體管sp為開頭的是S參數(shù)模型選擇ph開頭的模型，將晶體管拖入原理圖窗口，放入晶體管=3\*GB3③根據(jù)Datasheet設(shè)置相關(guān)參數(shù)、連線、仿真=4\*GB3④仿真，得到直流工作點(diǎn)晶體管偏置電路設(shè)計=1\*GB3①新建一設(shè)計在【TransistorBias】元件庫中找到相應(yīng)的MOS管，在【Sources-FreqDesign】庫中找到電源V_DC，連接并設(shè)置參數(shù)=2\*GB3②執(zhí)行命令【DesignGuide】→【Amplifer】→【Tools】→【TransistorBiasUtility】→【OK】，在彈出的窗口中選擇【ResistiveNetworks】→【BiasPointSelection】選擇最優(yōu)偏置點(diǎn)：重新設(shè)置偏置參數(shù)在【ResistiveNetworks】中將Vdss改為3，Id改為20，點(diǎn)【Design】=3\*GB3③在原理圖中執(zhí)行生成偏置電路，執(zhí)行退出3、穩(wěn)定性分析查看穩(wěn)定系數(shù)曲線=1\*GB3①新建一設(shè)計，加入sp模型的晶體管,=2\*GB3②建立如下原理圖插入穩(wěn)定系數(shù)控件、最大增益控件→仿真=3\*GB3③K<1，解決辦法：在源級加小電感抑制負(fù)反饋調(diào)整后，增益、穩(wěn)定性都變好了=4\*GB3④替換理想扼流電感和隔直電容；增加旁路電容輸入網(wǎng)絡(luò)設(shè)計=1\*GB3①加入噪聲系數(shù)的仿真雙擊，=2\*GB3②點(diǎn)擊中的，放置輸入阻抗測試控件→仿真=3\*GB3③在輸出窗口觀察輸入阻抗Zin1在查看Zin1時，格式選擇imag，real。=4\*GB3④在數(shù)據(jù)窗口點(diǎn)擊添加下面內(nèi)容=5\*GB3⑤在數(shù)據(jù)窗口點(diǎn)擊，=6\*GB3⑥選擇元件庫，建立原理圖：=7\*GB3⑦【DesignGuide】→【PassiveCircuit】→【MicrostripControlWindow】=8\*GB3⑧在原理圖點(diǎn)擊，查看自動生成的匹配網(wǎng)絡(luò)。點(diǎn)擊跳出。輸出網(wǎng)絡(luò)設(shè)計放置分支線，并設(shè)置50Ohm線寬設(shè)置TL1、TL2、TL3的支線長度取值（2—40mm）設(shè)置優(yōu)化方式和優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化。=2\*ROMANII、微帶天線特性測量用矢網(wǎng)測量自己制作的微帶天線的駐波和阻抗并確定中心頻率(15點(diǎn))。將自己制作的微帶天線接頻譜分析儀，如下設(shè)置：調(diào)整接收天線與發(fā)射天線的相對位置關(guān)系，觀察記錄頻譜儀測量的信號峰值幅度，分析幅度變化的原因。實(shí)驗結(jié)果輸入網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的仿真結(jié)果最小噪聲阻抗：Z0×(1.568+j0.052)=78.4＋j×2.6均衡阻抗：Z0×(1.023＋j0.012)=51.15+j×0.6最大增益阻抗：Z0×(0.313+j0.884)=15.65+j×44.2最小反射阻抗：53.374+j×2.757輸入端匹配良好，但輸出端匹配不好2、輸出網(wǎng)絡(luò)設(shè)計仿真結(jié)果最小反射仿真結(jié)果(阻抗：53.374+j×2.757)微帶天線特性測量結(jié)果根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得所設(shè)計天線性能指標(biāo)對天線進(jìn)行修正，最終尺寸為：W=45.3mm,L=38mm,w1=1mm,l=21.2mm，與理論計算值之間存在誤差測得所設(shè)計天線參數(shù)：中心頻率：2.44GHz，駐波比：1.358dB，阻抗：59.307歐（實(shí)），-7.264歐（虛），對數(shù)幅度：-17.424dB頻率/GHz駐波比/dB對數(shù)幅度/dB阻抗（實(shí)部）阻抗（虛部）2.159.984-0.3091.287-10.4622.1550.984-0.3411.448-6.5252.241.024-0.4121.678-2.4782.2530.354-0.5432.1562.0032.319.782-0.8313.3033.7042.3510.124-1.5926.39215.7982.43.654-4.86422.89432.0642.451.602-11.52443.104-26.7182.56.564-2.5767.850-13.8672.5515.684-1.0843.546-3.1792.625.782-0.6732.6122.8542.6533.102-0.5372.3797.4122.737.012-0.4872.31211.2872.7540.784-0.4432.32414.8542.843.024-0.4022.49818.3122.8546.562-0.3722.70421.8022.946.504-0.3642.98025.174天線背對發(fā)射天線時：在2.44987GHz時有峰值-56.68dBm天線正對發(fā)射天線時：在2.44987GHz時有峰值-40.02dBm與設(shè)計要求中心頻率2.45GHz較接近，可知，在誤差允許范圍內(nèi)設(shè)計天線達(dá)到實(shí)驗要求。對數(shù)幅度：駐波比：阻抗：五、思考題若放大器的穩(wěn)定性k<1，可否同時實(shí)現(xiàn)輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)共軛匹配？答：不能。放大器的穩(wěn)定性k<1，屬于條件穩(wěn)定，輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)共軛匹配不能同時實(shí)現(xiàn)。放大器設(shè)計的具體步驟有哪些？答：放大器的設(shè)計步驟總結(jié)如下：=1\*GB3①在頻率、增益、噪聲指標(biāo)條件下選擇器件，得到偏置條件下器件的［S］參數(shù)。=2\*GB3②滿足穩(wěn)定判據(jù),則進(jìn)入步驟三；不滿足判據(jù)，在圓圖中畫出穩(wěn)定區(qū)，必要時畫出等增益圓和等噪聲圓。=3\*GB3③確定輸入