07微波低噪声放大器设计与测量

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1、实验七微波低噪声放大器的设计与测量实验七微波低噪声放大器的设计与测量一、实验目的1.了解射频放大器的基本原理与设计方法。2.利用实验模块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并分析结果。二、预习内容1．熟悉放大器原理等理论知识。2．熟悉放大器设计相关理论知识。三、实验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放大器模块1组350ΩBNC及1MΩBNC连接线4条4交流电源连接线1条四、理论分析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4-

2、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。39实验七微波低噪声放大器的设计与测量ΓL=ΓOUT*二端口有源电路输出匹配电路输入

3、匹配电路ΓSΓIN=S’11ΓLGOΓS=ΓIN*GSGLΓOUT=S’22RSRL图13-1放大器电路方框图（一）单边放大器设计（UnilateralAmplifierDesign）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(UnilateralTransducerGain,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(MaximumUnilaterlaTransducerGain,

4、GTU,max)：（二）双边放大器设计(BilateralAmplifierDseign)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：，39实验七微波低噪声放大器的设计与测量其中（一）单边设计评价因子（UnilateralFigureofMerit,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

5、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(TransducerGain)（二）放大器的稳定条件（StabilityCriteria）（1）无条件稳定Unconditionallystable）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5-2（a）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，

6、S11

7、<1且

8、S22

9、<1其中K称为稳定因子（stabilityfac

10、tor）（2）条件稳定（Conditionallystable）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5-2（b）所示:39实验七微波低噪声放大器的设计与测量rLcLrScS

11、

12、cL

13、-rL

14、<1

15、S22

16、<1

17、

18、cS

19、-rS

20、<1

21、S11

22、<1稳定区域(斜线区)图13-2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

23、

24、cS

25、-rS

26、>1，

27、S11

28、<1且

29、

30、cL

31、-rL

32、>1，

33、S2

34、2

35、<1而条件稳定则是

36、

37、cS

38、-rS

39、<1，

40、S11

41、<1或

42、

43、cL

44、-rL

45、<1，

46、S22

47、<1（A）输出稳定圆（LoadStabilityCircle）：半径；圆心（B）输入稳定圆（SourceStabilityCircle）：半径；圆心(五)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

48、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，K39实验七微波低噪声放大器的设计与测量单边设计评价因子，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