课程设计

| |cL| - rL | < 1 | S22 | < 1
稳定区域 (斜线区)
图 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 ||cS| - rS| > 1，|S11|< 1 且 ||cL| - rL| > 1，|S22|< 1 而条件稳定则是 ||cS| - rS| < 1，|S11|< 1 或 ||cL| - rL| < 1，|S22|< 1 （A）输出稳定圆（Load Stability Circle） ：
2 2
最大增益误差比则为：
GT 1 1 2 (1 M ) GTU ,max (1 M ) 2
其中 GT 是有源元件的转换增益(Transducer Gain)
GT (1 S ) S 21 (1 L ) (1 S11S )(1 S 22 L ) S12 S 21S L
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和仿真，并分析结果。
内 容 及 任 务
二、设计任务(内容)


熟悉放大器原理等理论知识。 熟悉放大器设计相关理论知识。
三、设计工作量 1 周完成
进 度 安 排
起止日期 5 月 18 至 5 月 20 号 5 月 21 至 5 月 26 号 5 月 27 号 5 月 30 号 5 月 31 号 指 导 教 师 （签字） ： 系 （ 教 研 室 ） 主 任 （ 签字） ：
L cL rL
半径 （B）输入稳定圆（
rL
S12 S 21 S 22
2 2
； 圆心
cL
C2 S 22
2 2
Source Stability Circle） ：
S cs rs
4
半径
rs
S12 S 21 S11
2 2
； 圆心
cs
C1 S11
3.学会使用微波软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果。
主 熟悉放大器原理等理论知识。 要 内 容 和 要 求
熟悉放大器设计相关理论知识。
时 间 安 排 与 完 成 情 况 参 考 资 料 起止日期 5 月 18 至 5 月 20 号 5 月 21 至 5 月 26 号 5 月 27 号 5 月 30 号 5 月 31 号 工作内容 组员分组、讨论任务分配、查资料理解理解课题 详细分析锁相环原理、设计锁相环电路及压控振荡器电 路 实验室验证电路和测试实验结果（或结果分析） 设计总结、书写实验报告
工作内容 组员分组、讨论任务分配、查资料理解理解课题 详细分析放大器原理、设计放大器电路 实验室验证电路和测试实验结果（或结果分析） 设计总结、书写实验报告 年 年 月 月 日 日
微波通信
设计说明书
微波放大器的设计
起止日期： 2015 年 5 月 18 日 至 2015 年 5 月 31 日
学 班 学 成
目
序号 1 2 3 4 5 6 材料名称
录
清
单
资料数量 1 1 张 备注
课程设计任务书 课程设计说明书 课程设计图纸
湖南工业大学
课程设计任务书
2014—2015 学年第 2 学期
计算机与通信 课程名称： 设计题目： 学院 通信工程 专业 1204 班级 微波通信课程设计
微波放大器的设计
完成期限：自 2015 年 5 月 18 日至 2015 年 5 月 31 日共 2 周 一、设计目的
2 2 2 2
（三）单边设计评价因子（Unilateral Figure of Merit , 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：
M S12 S21 S11 S22 (1 S11 ) (1 S22 )
二、基本原理 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 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。
2 2
(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 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，以便在设计 输出入匹配电路时，避免使用到不稳定区域（如图 5-2(b)）所示。 步骤五：检查 M 值是否够小。 （1）若 M 值接近 0.03(-15dB)则适用单边设计，可得 ΓS = S11* 及 ΓL = S22* 最大增益即为 GTU,max （2）若 M 值大于 0.03(-15dB)则须用双边设计，可得 ΓS =ΓSm 及 ΓL =ΓLm 最大增益即为 GT,max 步骤六：利用步骤五所得ΓS 及ΓL 设计输出入匹配电路 三、硬件测量 1、对 LNA,MMIC 放大器的 S11 及 S21 测量以了解 MMIC 放大电路的特性。对 LNA,BJT 放大器的 S11 及 S21 测量以了解射频 BJT 放大电路的特性。 2、准备电脑，测量软件，扫频仪、同轴检波器、示波器、相关模块，若干小器 件等。 3、测量步骤： 一、用标量网络分析仪的测量方法： ⑴ LNA 的 P1 端子的 S11 测量：设定频段：BAND-4；用 DC-1 连接线将后面 12VDC 输出端子连接起来；对模块 P1 端子做 S11 测量，并将测量结果记录 于表（1）中。
' S11 S11
S12 S 21L 1 S 22 L
ΓOUT = S’22 ΓL
' S22 S22
RL
图 1 放大器电路方框图
S12S21S 1 S11S
S12 S 21L Γ 1 S 22 L
IN
= S11 及
ΓOUT = S22
则放大器之单边转换增益(Unilateral Transducer Gain,GTU)为：
GTU ,max 1 1 S11
2
S 21
2
1 1 S 22
2
（二）双边放大器设计(Bilateral Amplifier Dseign) 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： S S S S ' ' IN S11 S11 12 21 L 及 OUT S22 S22 12 21 S 1 S22L 1 S11S 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 ：
ΓS = ΓIN* 输入 匹配电路 GS 二端口 有源电路 GO ΓL = ΓOUT * 输出 匹配电路 GL
RS
' S11 S11
ΓS
ΓIN = S’11
（一）单边放大器设计（Unilateral Amplifier Design） 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：
湖南工业大学
课 程 设 计
资
计算机与通信 课程名称 学生姓名 题 成 目 绩 微波通信课程设计 蒋培玉 专业班级
料
指导教师 通信 1204 班
袋
~ 2014 邱银安 学号 学年第 职称 2 学期 副教授 12408200411
学院（系、部） 2013
微波放大器的设计 起止日期 2015 年 05 月 18 日～ 2015 年 05 月 31 日
【1】 吴群 宋朝晖.《微波技术》 [M]. 哈尔滨工业大学出版社. 2004. 30~37. 【2】 范寿康等，《微波技术与微波电路》[M].北京机械工业出版社.2003.254-275.
目录
1 设计实验设备............................................................... ....................2 2 基本原理....................................................................... ....................2 3 硬件测量............................................................................................5 4 软件仿真....................................................................... ....................7 5 实例分析....................................................................... ....................8 6 设计总结....................................................................... ..................10 7 参考文献....................................................................... ..................11
3
2 2 2 2
（四）放大器的稳定条件（Stability Criteria） （1）无条件稳定 Unconditionally stable） 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 ， |S11| < 1 且 |S22| < 1 其中 K 称为稳定因子（stability factor）
生
姓
名 级 号 绩
蒋培玉 通 信 1204 班 12 408200 411
指 导 教 师 (签 字 )
计算机与通信学院
2015 年 5 月 31 日
课题名 微波锁相振荡器的设计 称Baidu Nhomakorabea组 袁珍 同组人员 长 1．设计目的 课 1.了解射频放大器的基本原理与设计方法。
蒋培玉、付向宇、欧素珍、于薇
题 2.利用实验模块实际测量以了解放大器的特性。 的 2． 设计内容
K
1 S11 S22 2 S12S21
2
2
2
（2）条件稳定（Conditionally stable） 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 2（b）所示:
rS
cS
cL
rL
| |cS| - rS | < 1 | S11 | < 1
Sm
2 C1 B1 B12 4 C1 2 2 C1
，
2 2
Lm
2 2 C2 B2 B2 4 C2 2 2 C2
其中
B1 1 S11 S 22 B2 1 S11 S 22 C1 S11 S 22 C 2 S 22 S11 S11S 22 S12 S 21
微波放大器设计
一、设计实验设备 项次 设备名称 1 2 3 4 5 扫频信号源、示波器 放大器模块 50Ω BNC 及 1MΩ BNC 连接线 直流电源连接线 MICROWAVE 软件 数量 备注 1套 1组 4条 1条 1套 DC-1 微波软件 亦 可 用 标量 网络 分 析 仪 RF2KM7-1A
GTU GS GO G L
2
其中
GS
1 S
2 2
1 S11S
GO S21
2
GL
1 L
2 2
1 S22L
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 (Maximum Unilaterla Transducer Gain,GTU,max)：