355-寬頻帶放大器

3.5.5寬頻帶放大器

123.5.5寬頻帶放大器

電路簡單噪聲特性好頻帶不寬<30%

駐波比差*無損匹配特點*寬頻帶放大器種類

并聯(lián)負(fù)反饋--低微波頻段有損匹配--簡單，效果不很好行波放大--單片集成或管芯組裝平衡式放大器--頻帶受電橋限制，駐波比小3一、并聯(lián)負(fù)反饋放大器單級負(fù)反饋漏極電感可以提升高頻柵極電感可以改善噪聲兩極負(fù)反饋4微波電路并聯(lián)負(fù)反饋特點:

負(fù)反饋相位不是180o：因為S21有相移微帶引線有分布參數(shù)效應(yīng)元件尺寸有影響噪聲加大：噪聲相位、頻率隨機，帶外大部分為正反饋。適用于低頻波段:<3GHz,<5GHz(因為元件尺寸較大)

頻帶足夠?qū)?0.01--5GHz

駐波比改善5二、有損匹配電路有損并聯(lián)高通型有損串聯(lián)高通型

只能用于級間(損耗對噪聲性能影響較大)

可以壓低低頻增益改善穩(wěn)定性噪聲系數(shù)變壞有損匹配特點：(電阻是吸收損耗元件,電容是減弱高頻損耗的旁路電容。結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)，性能穩(wěn)定。)電阻電阻6三、分布式放大器(行波式放大器)

每只微波管從輸入微帶線耦合出一部分Ps進行放大

當(dāng)柵線和漏線保持同速傳播時

放大后右向波疊加，左向波部分相互抵消7FET簡化等效電路

輸入線電路8FET輸入等效元件可以改成并聯(lián)輸入線等效阻抗：9

輸出線等效電路

輸出線等效阻抗：

為了提高增益可以在輸出端級聯(lián)同樣的放大器。信號沿柵極線傳播，各柵極電壓依次為：10四、平衡式放大器組成:2個單管放大器

2個3dB耦合器111.分路合路器(正交耦合器)頻帶：10%頻帶：倍頻程A.各口匹配：S11＝S22＝S33＝S44＝0B.1－4、2－3口相互隔離：S14＝S41＝0S23＝S32＝0C.鄰口輸出功率等分，相差900：12方形電橋S參數(shù)：用途：(1)分功率：從1口輸入a1，(第2、3、4口匹配，a2=a3=a4=0)，矩陣方程:即b2和b3等分功率，相差900.13(2)輸入口匹配：把(b)(c)代入(a)和(d)，得

b1=(

2+2

)a1b4=(+)a11口反射系數(shù)：

1－4口傳輸系數(shù)：

即：

1口無反射，4口有反射；反射不影響功率分配。14(3)功率合成：當(dāng)輸入a1和a4時當(dāng)a1=ja4(a1比a4領(lǐng)先900)，得即第3口合成輸出，第2口無輸出。輸入永遠匹配，輸出功率加倍。152.平衡式放大器兩個放大器相同，暫以其S參數(shù)[Sb]和[Sa]表示。放大器由虛線框三個四口S矩陣組成。第1只放大器：16中間虛線框是兩放大器組合：第2只放大器：再把兩個正交耦合器組合起來，推導(dǎo)得總矩陣：兩個放大器完全一樣時：17平衡放大器特點:(1)匹配性能好：接負(fù)載

L時S12很小，

1、2很小匹配好(當(dāng)

L=0時，1＝0)即使負(fù)載匹配不好(

L0)，放大器輸入口的

1也很小。(2)增益同單管：

GP=|SIII|2=|S21|2

和單管放大器的相同。18(3)穩(wěn)定性好：如果|S12S21|=1，說明管子剛好自己振蕩恒為絕對穩(wěn)定。19

3.5.6微波放大器的CAD技術(shù)一、微波電路分析

(A)微波電路分解成單元元件組合電路元件的分解20(B)常用單元件的S參數(shù)

串聯(lián)阻抗

例：串聯(lián)電容

并聯(lián)導(dǎo)納21

傳輸線段

并聯(lián)開路微帶線

并聯(lián)短路微帶線22(C)電路的S矩陣和性能參數(shù)

信源反射系數(shù)

負(fù)載反射系數(shù)

輸入反射系數(shù)

輸出反射系數(shù)

電路增益23放大器前后皆為匹配系統(tǒng)時

輸入反射系數(shù)輸出反射系數(shù)輸入駐波比輸出駐波比電路增益24(D)靈敏度分析

增益靈敏度

噪聲靈敏度

駐波比靈敏度靈敏度直方圖定義：電路特性(T)的相對變化與電路參數(shù)(X)相對變化的比值：25二、電路優(yōu)化技術(shù)基本步驟：1.選擇微波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和給出電路元件的初始值；2.進行電路分析；3.把分析得到的特性數(shù)據(jù)與要求的特性指標(biāo)進行比較，得出誤差函數(shù)；4.判斷誤差函數(shù)是否足夠小；5.整理計算結(jié)果，打印輸出。26(A)目標(biāo)函數(shù)(ObjectiveFunction)(取樣)誤差函數(shù)

頻率采樣點數(shù)m

指數(shù)NormP=1線性誤差---可能產(chǎn)生超差

P=2平方誤差---最常用

P

最大-最小誤差Min-Max---可能優(yōu)化過程有起伏27

加權(quán)函數(shù)(Weight)控制優(yōu)化特性--對于要求高的頻率或元件值，取重加權(quán)

多目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)要求

min最優(yōu)化概念：改變電路元件值使目標(biāo)函數(shù)趨向最小即可滿足要求，從而把電路的物理設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)的求極值問題。各指標(biāo)互有牽制，用權(quán)函數(shù)控制達到要求。28(B)一元函數(shù)優(yōu)化--外推/插值法

外推法的過程：

*選初始值x1,步長D

計算

(x1),

(x2)=

(x1+D)*如果

(x2)<

(x1)，尋查方向正確，外推。計算

(x3)=

(x2+2D)*如果

(x3)<

(x2)，再外推計算

(x4)=

(x3+4D)*比較

(x3)與

(xm)，舍去較大的一邊的邊沿點(如圖中x2點)，其余點記xa、

xb、xc，轉(zhuǎn)入插值計算。*得到

(x4)>

(x3),說明X2

至X4之間必有極小點*計算中間點

(xm)29

為了加速找到極小點，通過

(xa)、

(xb)、

(xc)作拋物線用拋物線極小點做近似解拋物線方程：

極小點是

極小點滿足

插值法的過程：30

代入拋物線方程:式中

a、

b、

c、xa、xb、xc為已知值

解方程得k0，k1,k2,

代入極小點公式得:

比較

b和

0，舍去大的一邊的邊沿點(如圖中的xc點)，保留3個點。繼續(xù)插值直至滿足誤差要求。31(C)梯度法多變量優(yōu)化(Gradient)原理：在任意點沿梯度負(fù)方向是函數(shù)值下降最快方向。

尋查方向

梯度

初始點例：同心橢圓組32

尋查變量

目標(biāo)函數(shù)至此已轉(zhuǎn)化為對t的一維優(yōu)化，可按一元函數(shù)外推插值法優(yōu)化。

滿足收斂條件|(xk)|<

時停止

梯度法：最速下降、共軛梯度、擬牛頓(DFP、BFGS)

解析法求極值：33(D)直接優(yōu)化法(單純形法)定義：用直線構(gòu)成的最簡單圖形

例：二維平面函數(shù)取三點構(gòu)成單純形，比較三個頂點函數(shù)值

Xh--最大值，Xg--次大值，

XL--最小值

Xh

Xc

是函數(shù)下降方向

以Xg、XL中點Xc為基準(zhǔn)找出反射點Xr34如果

(Xr)<(Xg)，取擴展點Xe=Xh+(Xr-Xh)>1如果

(Xr)>(Xg)，取壓縮點Xs=Xh+(Xr-Xh)<1

不斷用新點替換Xh、展延單純形,直到找到最小點

根據(jù)

(xr)

確定Xe或Xs是新得到的點，令其為XN，只要滿足

(XN)<(Xg)，就完成了第一次尋查；第二次尋查用XN和原來較小的點Xg、XL

構(gòu)成的三角形，再進行如同第一次尋查一樣的尋查。35(E)全域隨機優(yōu)化法

電路的目標(biāo)函數(shù)有多個極小點，不同初始值將優(yōu)化到不同的極小點。

解決方法：*史密斯圓圖估計初始值*隨機優(yōu)化找最小點所在域(a)隨機算法Random（蒙特-卡洛法）掃描；隨機網(wǎng)格投點；多起點聚叢；插值多項式；形心連線；隨機梯度；水平集切割；退火；遺傳法；……..36(b)遺傳算法Genetic仿生：生物遺傳過程中，染色體交換和基因突變，能產(chǎn)生不同于父本的優(yōu)良進化。例：二元函數(shù)電路(兩個變量電路)。在允許域中，隨機投置A1,A2

兩個點，(有兩個個體的生物種群)。*A1的函數(shù)值=7（適應(yīng)性為1/7)，*A2的函數(shù)值=5（適應(yīng)性為1/5)，*A2<A1(A2的適應(yīng)性強)37遺傳優(yōu)化概念

多基因交換、染色體段隨機交換基因突變大種群、多個體、遠親交配，可以獲得較好結(jié)果38

對應(yīng)名詞術(shù)語：

個體------變量組，是一維向量，由隨機法產(chǎn)生Ai(X1i,X2i,X3i,…Xmi)

種群------用隨機法產(chǎn)生的多個個體A1,A2,A3,…,An

個體的染色體----每個個體有不同染色體，即前述一維向量變量組(X1i,X2i,X3i,…Xmi)

染色體交換---不同染色體某一段（一個或幾個變量）依概率互換基因------一維向量中的一個元素（變量）基因突變---少數(shù)變量(依概率Pm~0.01)在取值范圍內(nèi)隨機取為另一個值39(F)中心值優(yōu)化(YieldCenteringOptimization)

NF<NF0

合格

X0點--NFmin,性能最好，成品率低

X1點--非NFmin，成品率高。目的是提高大生產(chǎn)的成品率40

目標(biāo)函數(shù)合格域Ra

函數(shù)最小值點(X10,X20)

變量公差

1，2

最小值處的成品率約

30%

兩次中心值優(yōu)化后成品率接近90%41

陰影區(qū)代表公差范圍內(nèi)的成品率Rn---變量域x0

Pc(x,x