微波电子线路大作业

基于Microwave office低噪声放大器的设计与仿真

设计微波放大器的过程就是根据应用条件、技术指标要求完成以下步骤：首先选择合适的晶体管，然后确定ΓS和ΓL，再设计能够给出ΓS和ΓL的输入、输出匹配网络，最后用合适的微波结构实现，目前主要是采用微带电路。

对于小信号微波放大器的设计，主要有低噪声设计、单向化设计、双共轭匹配设计、等增益设计、宽频带设计等方法。

微波晶体管放大器性能的好坏，首先取决于晶体管本身的性能，第二取决于晶体管S参数测量的精度，第三取决于设计方法的优劣。所以设计微波晶体管放大器的任务是要在给定的工作频带内设计输入、输出匹配网络，除满足一定的增益、噪声系数要求外，还需满足输入、输出驻波比的要求。

设计指标

²频率范围。

²增益。

²噪声。

²其他：动态范围、功率、电源、接口条件、体积、重量、温度范围、振动、冲击、盐雾、循环湿热等。

设计步骤

(1) 选晶体管。一般要求晶体管的特征频率f T不低于3～5倍的工作频率。

(2) 确定电路形式及工作状态。一般选用共射(共源)组态，根据噪声系数、增益和动态范围来确定偏压和电流大小。

(3) 判断稳定性。测量晶体管的［S］、F min、Γop(或由厂商给出)，判断其

稳定性。

(4) 设计输入和输出匹配电路。根据需要设计出LNA或高增益的匹配网络。

放大器设计过程可以总结为下图所示的流程图。

微波晶体管的S参数

工作在微波波段的晶体管，其内部参数是一种分布参数，对于某特定频率可以用集总参量来等效，但是用这种等效电路进行分析很难得到一个明确的结论，且计算繁琐，也很难测得等效电路各参数值。因此这种等效电路可以用来说明微波晶体管工作的物理过程，但不便用来计算。

为便于工程应用，常把在小信号工作状态下的微波晶体管看成是一个线性有源二端口网络，并采用S参数来表征微波晶体管的外部特性。

用S参数表示微波晶体管特性

设输入端和输出端所接传输线的特性阻抗均为50 Ω，Z L为终端负载阻抗，Z S

为信号源阻抗，U i1、U r1和U i2、U r2分别表示输入端口和输出端口的入射波、反射波，a1、a2为归一化入射波，b1、b2为归一化反射波，即

可写出线性网络方程为

b1=S11a1+S12a2

b2=S21a1+S22a2

根据S参数定义得到

可以按定义测量晶体管的S参数，式中S11是晶体管输出端接匹配负载时的输入端电压反射系数；S22是晶体管输入端接匹配负载时的输出端电压反射系数；S21是晶体管输出端接匹配负载时的正向传输系数；S12是晶体管输入端接匹配负载时的反向传输系数。因S21≠S12，故有源器件二端口网络是非互易网络。一般

可用微波网络分析仪测量管芯或封装后的器件S参数。从实测数据中可知，S参数随频率而变化，因此，必须在使用频率和具体电压、电流工作点情况下，测量器件的S参数，作为设计放大器的依据。

微波晶体管放大器的噪声系数

噪声系数是小信号微波放大器的另一重要性能指标，前面分析器件的噪声特性时，仅从本征晶体管的等效电路出发，没有考虑寄生参量的影响。但考虑寄生参量后，再用等效电路来计算实际放大器的噪声系数就变得很复杂。因此仍用等

效两端口网络来研究放大器的噪声系数，以及噪声系数和源阻抗的关系。 微波晶体管放大器的功率增益

功率增益是微波晶体管放大器的重要指标之一，它与晶体管输入、输出端所接负载有关，研究它的目的在于选择合适的输入信号源阻抗Z S 和负载阻抗Z L 的数值，以得到所需的功率增益。常用的微波晶体管放大器的功率增益表示方法有三种：实际功率增益、资用功率增益、转换功率增益。不管是哪种增益，都表示放大器功率放大的能力，只是表示的方法和代表的意义不同而已。 微波晶体管放大器的稳定性

保证放大器稳定工作是设计微波放大器最根本的原则。由于微波晶体管S 12的作用会产生内部反馈，可能使放大器工作不稳定而导致自激，为此必须研究在什么条件下放大器才能稳定地工作，通常根据稳定性程度的不同可分为两类：

(1) 绝对稳定或称无条件稳定：在这种情况下，负载阻抗和源阻抗可以任意选择，放大器均能稳定地工作。

(2) 潜在不稳定或称有条件稳定：在这种情况下，负载阻抗和源阻抗只有在特定的范围内选择，放大器才不致产生自激。

理论上分析放大器能否产生自激可从放大器的输入端或输出端是否等效为负阻来进行判断。根据放大器输入阻抗与反射系数的模值关系，得到

式中：Z in =R in +j X in 。当R in <0时，|Γin |>1，放大器产生自激；当R in >0时，|Γin |<1，放大器工作稳定。同样，对放大器输出端口，当|Γout |>1时，放大器工作不稳定；当|Γout |<1时, 放大器工作稳定。因此，|Γin |和|Γout |与1的大小关系为放大器工作是否稳定的判据。

22in 0in 0in in 22in 0in 0in ()()Z Z R Z X Z Z R Z X Γ--+==+++

低噪声放大器的设计

已知GaAs FET在4 GHz、50 Ω系统中的S参数和噪声参量为 S11=0.6∠－60°，S21=1.9∠81°，

S12=0.05∠26°，S22=0.5∠－60°

Fmin=1.6 dB Γout=0.62∠100° RN=20 Ω

设计一个低噪声放大器，要求噪声系数为2 dB，并计算相应的最大增益。若按单向化进行设计，则计算GT的最大误差。

计算单向化优质因数:

估算增益误差:

用dB表示，即

－0.50 dB

即按单向化设计时，增益误差在±0.5 dB以内，满足工程设计中的要求。

计算噪声系数参量，再得出2 dB噪声系数圆的圆心和半径。