07微波低噪声放大器设计与测量
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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
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。
（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S 12，即是S 12=0。此时可得： ΓIN = S 11 及 ΓOUT = S 22 则放大器之单边转换增益(Unilateral Transducer Gain,G TU )为：
L O S TU G G G G =
其中 2
2222
21
2
1121111L
L
L O S
S
S
S G S G S G Γ-Γ-=
=Γ-Γ-=
假若电路又符合下列匹配条件：
ΓS = S 11* 及 ΓL = S 22*
则可得到此放大器电路之最大单边转换增益(Maximum Unilaterla Transducer Gain,G TU,max )：
2
22
2
212
11
max ,1111S S S G TU -⋅
⋅-=
（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S 12，即是S 12≠0。此时可得：
L L IN S S S S S Γ-Γ+
==Γ22211211'
111 及 S
S OUT S S S S S Γ-Γ+==Γ11211222'
221
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 ：
2121211124C C B B Sm
⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅-±⋅=Γ ，2
2
222
22224C C B B Lm ⋅⎥⎦⎤
⎢⎣⎡⋅-±⋅=Γ
图13-1 放大器电路方框图 L
L
S S S S S Γ-Γ+
=22211211'11
1L
L
S S S S S Γ
-Γ
+
=22211211
'111S
S
S S S S S Γ-Γ+
=11211222'22
1S IN
11ΓL
Γ
OUT
= S ’22 R S
L
其中
21
1222111122222
1112
2
222
1122222211111S S S S S S C S S C S S B S S B -=∆⋅∆-=⋅∆-=∆
-+-=∆--+=
（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：
)
1()1(221122112112S S S S S S M -⋅-⋅⋅⋅=
最大增益误差比则为：
2
max ,2)
1(1
)1(1M G G M TU T -<<+
其中G T 是有源元件的转换增益(Transducer Gain) 2
211222112
2212)1)(1()1()1(L
S L S L S T S S S S S G ΓΓ-Γ-Γ-Γ-⋅⋅Γ-=
（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 ， |S 11| < 1 且 |S 22| < 1
其中K 称为稳定因子（stability factor ）
21
122
22221121S S S S K ⋅∆+--=
（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5-2（b ）所示: