07微波低噪声放大器设计测量

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1、.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4-1所示。一般而言，二端口有源

2、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。页.ΓL=ΓOUT*二端口有源电路输出匹配电路输入匹配电路ΓSΓIN=S’11ΓLGOΓS=ΓIN*GSGL

3、ΓOUT=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,GTU,max)：（二）双边放大器设计(Bilater

4、alAmplifierDseign)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：，页.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

5、(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（stabilityfactor）（2）条件稳定（Conditionallystable）当有源器件不符合

10、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:页.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、S22

34、<1而条件稳定则是

35、

36、cS

37、-rS

38、<1，

39、S11

40、<1或

41、

42、cL

43、-rL

44、<1，

45、S22

46、<1（A）输出

47、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页.单边设计评价因子，M最大单边转换增益，GT

48、U,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，