07微波低噪声放大器设计与测量

实用标准文案

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。

S S $2§1 L

S

I1

S

11 -__—

1 S

?

2 L

图13-1 放大器电路方框图

(一) 单边放大器设计(Un ilateral Amplifier Desig n )

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:

输入 匹配电路

G s

r IN = s '

二端口 有源电路

G O

r OUT *

d

输出 匹配电路

r OUT = s '

0—

G L

S

22

S

S 12E1 S S

22

1 Sn S

R L

IiN = S 11 及IO UT = S 22

实用标准文案

则放大器之单边转换增益(Un ilateral Tran sducer Ga in ,G TU)为:

G TU G S G O G L

假若电路又符合下列匹配条件：

IS = S 11 * 及r = S 22*

Gain,G Tu,max ):

(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丸。此时可得:

若利用最大增益匹配法（亦称共轭阻抗匹配法），则可得

r = IOUT *

经过推导可利用下列公式计算出最佳输入反射系数r Sm和最佳输出反射系数ILm 其中

其中G

S

1 S2?

1 S11 S|G L

则可得到此放大器电路之最大单边转换增益(Maximum Un ilaterla Tran sducer

IN

S2S1 L

1

S>2 L

OUT

S12S21

1 S11 S

Sm Lm

1

1

G TU ,max

1 S11

S11 S22

2 C1I2

其计算公式如下:

M |胡陽| IS 」 (1 S 『)(1 S 222)

1 G T 1

(1 M)2 Gu max (1 M)2

其中G T 是有源元件的转换增益

(Transducer Gain)

2 2 2

G

(1 丨 S | ) I S 21I (1 I L |) G T

2

(1 S 11 S )(1 S 22 L ) S 12S 21 S L

(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r s =o 及r =o 情况下，无条件稳定的充要

条件为

B i B 2

C 1 2 2 1 S 11

S 22

2

2

1

S 1i |

I S 22|

S 11

C 2

S 22 S 11 S 22 S 12 S 21

(三) 单边设计评价因子(Un ilateral 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。

最大增益误差比则为:

S 11

,|S11| < 1 且|S22| < 1

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其中K 称为稳定因子(stability factor )

K 1

Sn 2

|S 22

2

2

2 |S 12S 2l|

(2 )条件稳定(Con diti on ally 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：

C S

| |C L | - r L | < 1

| S 22 | < 1

稳定区域 (斜线区)

图13-2条件稳定圆示意图

r L

| |C S | - r s | < 1 | S 11 | < 1