畢業(yè)設(shè)計(jì)---超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題 目 超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì) </p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　題目 超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì) </p><p>　　專業(yè) 學(xué)號(hào) 姓名 </p>

2、<p>　　主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：</p><p>　　1. 查閱功率放大器設(shè)計(jì)的資料，掌握其工作原理；</p><p>　　2. 查閱國(guó)內(nèi)外廠商功率放大器芯片資料,由給定的技術(shù)指標(biāo),如增益和線性度,效率的要求, 選擇合適的功率放大器芯片，并確定采用幾級(jí)功放級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求；</p><p>　　3．詳細(xì)學(xué)習(xí)所選取的功率放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)；<

3、;/p><p>　　4．學(xué)習(xí)ADS軟件中關(guān)于功率放大器設(shè)計(jì)部分；</p><p>　　5．由芯片S參數(shù)等,利用ADS軟件完成電路仿真并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).</p><p><b>　　6．基本要求</b></p><p>　　第1周～第2周：圖書館查找資料，消化資料</p><p>　　第3周：

4、 翻譯英文材料</p><p>　　第4周～第7周: 學(xué)習(xí)超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)和ADS軟件射頻電路設(shè)計(jì)知識(shí)</p><p>　　第8周～第12周：方案確定，選擇芯片，電路仿真優(yōu)化</p><p>　　第12周～第15周：完成論文</p><p>　　完 成 期 限： </p><p>　　指導(dǎo)教師簽名：

5、 </p><p>　　專業(yè)負(fù)責(zé)人簽名： </p><p>　　超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　超寬帶技術(shù)是一種全新的無線電技術(shù),在無線通信方面有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。超寬帶功率放大器是UWB無線通

6、信系統(tǒng)的重要組成部分。本論文在研究超寬帶功率放大器基本電路結(jié)構(gòu)以及阻抗匹配、穩(wěn)定性、功率增益和頻帶寬度等重要設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)器件的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一個(gè)工作頻帶為1.6GHz ~ 2.2GHz， 功率增益為20dB左右，輸入電壓駐波比小于1.5, 輸出電壓駐波比小于2的超寬帶功率放大器,經(jīng)優(yōu)化仿真給出了具體電路和參考參數(shù)。該仿真結(jié)果滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,為超寬帶功率放大器的研制提供了理論依據(jù), 具有較大的工程參考價(jià)值。</p>

7、<p>　　關(guān)鍵詞：功率放大器 超寬帶 阻抗匹配</p><p>　　THE DESIGN OF ULTRA-WIDE</p><p>　　BAND POWER AMPLIFIER</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　UWB which is a new

8、radio technology in wireless communications has irreplaceable advantages. Ultra-Wideband power amplifier is an important part of UWB wireless communication system. According to the characteristics of the device,this the

9、sis, which is based on the study of basic circuit structure of ultra-wideband power amplifier and important design parameters such as impedance matching, stability, power gain and band width and so on, designed an Ultra-

10、wideband power amplifier whose working fr</p><p>　　Keywords: Power Amplifier UWB Impedance Matching</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　中文摘要I</b></p>

11、<p><b>　　英文摘要II</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 UWB的特點(diǎn)、應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.1 UWB的特點(diǎn)1</p><p>　　1.1.2 UWB的應(yīng)用3</p><p&

12、gt;　　1.1.3 UWB的發(fā)展現(xiàn)狀4</p><p>　　1.2 功率放大器的分類、特點(diǎn)、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)5</p><p>　　1.2.1 功率放大器的分類和特點(diǎn)5</p><p>　　1.2.2 功率放大器的現(xiàn)狀6</p><p>　　1.2.3 功率放大器的發(fā)展趨勢(shì)7</p><p>　　1.3 論文

13、研究的目的和意義7</p><p>　　1.4 論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排8</p><p>　　2 超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)理論9</p><p>　　2.1 超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)9</p><p>　　2.2 功率放大器的背景理論10</p><p>　　2.2.1 工作頻帶10</p>

14、<p>　　2.2.2 二端口S參數(shù)10</p><p>　　2.2.3 功率增益及增益平坦度12</p><p>　　2.2.4 輸入輸出電壓駐波比14</p><p>　　2.2.5 穩(wěn)定性16</p><p>　　2.3 負(fù)反饋技術(shù)18</p><p>　　2.4 阻抗匹配19</p

15、><p>　　2.5 史密斯圓圖20</p><p>　　2.6 本章小結(jié)21</p><p>　　3 超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.1 超寬帶功率放大器性能指標(biāo)參數(shù)22</p><p>　　3.2 晶體管的選取22</p><p>　　3.3 超寬帶功率放大器的結(jié)構(gòu)

16、框圖23</p><p>　　3.4 超寬帶功率放大器的第一級(jí)設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.5 超寬帶功率放大器的第二級(jí)設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.6 超寬帶功率放大器的原理圖27</p><p>　　3.7 電路仿真結(jié)果28</p><p>　　3.7.1 阻抗匹配28</p>&

17、lt;p>　　3.7.2 增益30</p><p>　　3.7.3 穩(wěn)定性30</p><p>　　3.7.4 輸入輸出電壓駐波比31</p><p>　　3.8 本章小結(jié)32</p><p><b>　　結(jié)束語33</b></p><p><b>　　致謝34<

18、/b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 UWB的特點(diǎn)、應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.1.1 UWB的特點(diǎn)</p><p>　　UWB(Ultra Wideband)

19、無線通信是一種不用載波，而采用時(shí)間間隔極短(小于1ns)的脈沖進(jìn)行通信的方式，也稱脈沖無線電、時(shí)域或無載波通信。UWB的特點(diǎn)是不使用攜載信息信號(hào)的載波而代之以單周期的基帶信號(hào)進(jìn)行傳送。由于占用帶寬達(dá)500MHz以上，即使傳送路徑特性良好也會(huì)產(chǎn)生失真。但是，由于UWB采用非常寬的帶寬，它具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　(1) 可以把多路徑的時(shí)延分解到1ns以下，這樣就能充分抑制多路徑衰落的影響。</p&g

20、t;<p>　　(2) 利用高的路徑分解能力，可用UWB實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的高質(zhì)量近距離無線通信。</p><p>　　(3) 衰落影響的降低，故發(fā)送功率很小即可。</p><p>　　(4) 發(fā)送功率低的UWB中，功率譜密度非常小，故幾乎不對(duì)其它寬帶傳輸帶來影響。</p><p><b>　　UWB的物理特點(diǎn)：</b></p>

21、<p><b>　　(1) UWB信號(hào)</b></p><p>　?、?單周期的脈沖序列。</p><p>　?、?不用余弦波的載波(也有使用廣義上的載波者)。</p><p>　?、?通常，脈沖時(shí)寬從微微秒到納秒</p><p>　?、?典型的脈沖波形為高斯型。</p><p>　

22、?、?脈沖重復(fù)周期通常間隔0.1秒。</p><p><b>　　(2) UWB帶寬</b></p><p>　　帶寬比=帶寬/中心頻率</p><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　(帶寬比)= (1-2)</p><p>　

23、　UWB的帶寬比通常在25%以上如=2.4GHz,=3.0GHz,=1.8GHz時(shí)，帶寬比=50%,試與以往的通信方式比較：</p><p>　　AM：6.8KHz/530KHz=1.3%</p><p>　　cdmaOne:1.25MHz/800 MHz=0.15%</p><p>　　W-CDMA:5 MHz/2200 MHz=0.23%</p>

24、<p>　　無線LAN(IEEE802.11)：22 MHz/2450 MHz=0.9%</p><p>　　(3) 處理增益(PG)</p><p>　　UWB系統(tǒng)在占用同樣帶寬下具有與DS-CDMA系統(tǒng)同等程度的處理增益，故抗干擾能力強(qiáng)。</p><p><b>　　(4) 通信容量</b></p><p>

25、;　　使用GHz級(jí)帶寬的UWB可以高可靠性實(shí)現(xiàn)超高速傳輸。</p><p>　　UWB在實(shí)用上的特點(diǎn)：</p><p>　　(1) 功率譜密度極低(噪聲電平低于DC-SS)，對(duì)原有通信系統(tǒng)的干擾和被干擾小，可共存。</p><p>　　(2) 平均功率電平在1mW以下，可傳送數(shù)英里。</p><p>　　(3) 利用極短的脈沖(ns量級(jí))，具

26、有高的路徑分解能力，可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的高精度測(cè)距(數(shù)cm級(jí))。</p><p>　　(4) 無載波，信號(hào)發(fā)射時(shí)間極短，可建立小型低功率的系統(tǒng)。</p><p>　　(5) 占用非常寬的帶寬(GHz級(jí))，可實(shí)現(xiàn)大容量多路接入和超高速傳輸(數(shù)百M(fèi)bps)。</p><p>　　(6) 能同時(shí)進(jìn)行通信與測(cè)距，可應(yīng)用于車輛間通信等。</p><p>　　采

27、用這么寬的頻帶能實(shí)現(xiàn)高速傳送的道理可用仙農(nóng)引入的信道容量來說明無論有線或無線的情況，物理上能對(duì)所提供的每個(gè)信道進(jìn)行無誤傳送的最大傳輸速度，被定義為信道容量。特別地，在可傳輸?shù)念l段B受限，而有噪音產(chǎn)生誤碼的信道中，信道容量C由下式表示：</p><p><b>　　(1-3)</b></p><p>　　在此式中C=最大信道容量(bps),B=信道帶寬(Hz)，S信號(hào)功

28、率(W)，N=噪音功率(W)。</p><p>　　這就是說，最大傳輸速度C大致與信道的帶寬B成正比，如提高信噪比，C就能增大。所以，像UWB這樣把帶寬B擴(kuò)展到GHz數(shù)量級(jí)，便能實(shí)現(xiàn)超高速傳輸。</p><p>　　至于信道中的誤碼，在通常的無線通信中并不僅是噪音，還有墻壁等障礙物的電波反射和折射等造成的多重傳播，即所謂多徑(Multi-path)造成信號(hào)間的干擾而且在多個(gè)用戶接入無線信道

29、，即所謂多重接入時(shí)，用戶間的脈沖在時(shí)間上沖突引起用戶間干擾，也會(huì)產(chǎn)生誤碼。為此，在UWB中，對(duì)各個(gè)用戶進(jìn)行時(shí)跳模式(TH)的分配，以盡可能避免脈沖在時(shí)間上的沖突。盡管如此，但他局脈沖與本局脈沖沖突的概率仍決定著系統(tǒng)的性能。因此，在傳輸速度一定的條件下，如能擴(kuò)大脈沖的間距，那么UWB的系統(tǒng)性能會(huì)更好。</p><p>　　UWB技術(shù)更早是作為脈沖雷達(dá)來研究開發(fā)的，用UWB信號(hào)測(cè)距的單，當(dāng)所發(fā)送的脈沖碰到障礙物，計(jì)算

30、收到其反射信號(hào)的時(shí)間，用電磁速度乘以該脈沖的往返時(shí)間，便能計(jì)算出往返的距離。</p><p>　　雖然UWB在過去已進(jìn)行了應(yīng)用開發(fā)，但要商用化應(yīng)用研究的課題尚有以下各點(diǎn)：</p><p>　　(1) 在超寬頻段產(chǎn)生時(shí)間極短脈沖的電路、元件以及超寬頻段天線、高頻電路的制造。</p><p>　　(2) 接收時(shí)每個(gè)脈沖位置的檢測(cè)精度。</p><p&

31、gt;　　(3) 多路徑環(huán)境下脈沖信號(hào)間的干擾。</p><p>　　(4) 多用戶環(huán)境下脈沖沖突產(chǎn)生的用戶間的干擾(系統(tǒng)內(nèi)干擾)。</p><p>　　(5) 共用頻率(共存系統(tǒng))產(chǎn)生的系統(tǒng)間干擾。</p><p>　　1.1.2 UWB的應(yīng)用</p><p>　　近年來，對(duì)移動(dòng)信息通信系統(tǒng)的大容量、高可靠和高品質(zhì)化的要求普遍增強(qiáng)，多種多樣

32、的服務(wù)正在出現(xiàn)。在超寬帶無線通信系統(tǒng)已引入了CDMA的IMT2000及其下行寬帶流的HDR，在無線LAN中已開發(fā)了2.4GHz頻段采用SS(擴(kuò)頻)方式的IEEE801.11b及采用FH(跳頻)的藍(lán)牙，5.2GHz頻段采用OFDM(正交頻分復(fù)用)的HyperLAN2及IEEE802.11a，以及可以說是2.4GHz版的IEEE802.11g等，并正在商用化。</p><p>　　這些方式都使用超寬帶的調(diào)制方式，也能

33、實(shí)現(xiàn)高速無線傳輸。而不用載波、用占用非常寬的頻帶的脈沖信號(hào)進(jìn)行無線傳輸?shù)腢WB方式，由于高頻器件、信號(hào)處理技術(shù)的研究開發(fā)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。尤其是考慮到電波法對(duì)發(fā)送功率的限制等，在應(yīng)用藍(lán)牙等技術(shù)的近距離無線市場(chǎng)中，可實(shí)現(xiàn)更高速的基帶無線通信，且具有傳感功能的UWB技術(shù)，一下子就受到了人們的關(guān)注?？煽紤]的主要應(yīng)用包括室內(nèi)通信、高速無線LAN、家庭網(wǎng)絡(luò)、無繩電話、安全檢測(cè)、位置測(cè)定、雷達(dá)等。尤其是可考慮以下應(yīng)用：</p><p&g

34、t;<b>　　(1) 通信</b></p><p>　?、?數(shù)據(jù)速度：低速(幾十kbps)~超高速(數(shù)百M(fèi)bps)，通信范圍：幾米(約幾米)。</p><p>　?、凇暗?代”藍(lán)牙發(fā)展或無線PAN(個(gè)人局域網(wǎng))。</p><p>　?、?IEEE802.15(無線PAN)把TG3(達(dá)到20Mbps)規(guī)范高速化。</p><

35、p>　?、?家庭內(nèi)為主要的數(shù)據(jù)傳輸，近距離100Mbps以上的無線傳輸。</p><p>　?、?無線USB2.0數(shù)據(jù)速率：480Mbps(USB2.0)。</p><p>　?、?美國(guó)XtreheSpectrum及Tiue Domain公司的UWB技術(shù)方案。</p><p>　　(2) 雷達(dá)、檢測(cè)器</p><p><b>

36、　?、?軍事用途。</b></p><p>　?、?警察及消防(穿墻檢測(cè)器等)。</p><p>　　③ 高精度測(cè)距(防撞檢測(cè)器等)。</p><p>　　1.1.3 UWB的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　面對(duì)美國(guó)主導(dǎo)的UWB商用化，日本基于產(chǎn)業(yè)界的要求，出現(xiàn)了一些動(dòng)向，但尚未成為統(tǒng)一的行動(dòng)。日本通信綜合研究所(CRL)從2002

37、年5月開始UWB特別R&D小組的籌備，8月成立了實(shí)施UWB計(jì)劃的特別小組，全面進(jìn)行微波到毫米波的UWB研究開發(fā)以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定等，并以CRL為中心組成UWB產(chǎn)學(xué)官財(cái)團(tuán)，為有關(guān)UWB的電波制度的國(guó)際協(xié)調(diào)及日本有關(guān)UWB商品化的服務(wù)為主要目的，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)官的合作研究開發(fā)。UWB產(chǎn)學(xué)財(cái)團(tuán)的目的為：</p><p>　　(1) 超寬帶無線接入系統(tǒng)的研發(fā)。</p><p>　　(2) 通過采

38、用測(cè)試臺(tái)的微波段系統(tǒng)(960MHz、3.1GHz~10.6GHz頻段、22GHz~29GHz頻段)進(jìn)行檢證試驗(yàn)。</p><p>　　(3) 未利用頻段(亞毫米波~毫米波段)的研發(fā)。</p><p>　　(4) 達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸(100Mbps以上)的低成本收發(fā)組件及通信方式的確定。</p><p>　　(5) 希望在信息技術(shù)審查/ARIB等方面標(biāo)準(zhǔn)化。</p

39、><p>　　UWB產(chǎn)學(xué)財(cái)團(tuán)的主要研究課題為：</p><p>　　(1) 頻率共用技術(shù)。</p><p>　　(2) 超寬帶專用通信方式。</p><p>　　(3) 高速(100Mbps以上)傳輸技術(shù)。</p><p>　　(4) 超寬帶微波、毫米波器件技術(shù)。</p><p>　　(5) 電波傳

40、輸特性的了解與模型化。</p><p>　　(6) 干擾抑制與去除方式。</p><p>　　(7) 高速脈沖信號(hào)處理技術(shù)(RF段、BB段)。</p><p>　　(8) 位置測(cè)定方式。</p><p>　　1.2 功率放大器的分類、特點(diǎn)、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1.2.1 功率放大器的分類和特點(diǎn)</

41、p><p>　　在多級(jí)放大電路中，輸出信號(hào)往往都是送到負(fù)載，去驅(qū)動(dòng)一定的裝置，這類主要向負(fù)載提供功率的放大電路常稱為功率放大電路。其中用的主要器件為功率放大器。</p><p>　　根據(jù)匹配網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，可將功率放大器分為非諧振功率放大器和諧振功率放大器。非諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)，例如高頻變壓器、傳輸線變壓器等非諧振系統(tǒng)，其負(fù)載呈現(xiàn)純電阻性質(zhì)。而諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)是諧振系統(tǒng)，其負(fù)載呈現(xiàn)電

42、抗性質(zhì)。</p><p>　　按照電流導(dǎo)通角的不同，放大器可分為甲類(A類)、甲乙類(AB類)、乙類(B類)、丙類(C類)等。甲類(A類)放大器電流的導(dǎo)通角為180度，適應(yīng)于小信號(hào)小功率放大。乙類(B類)放大器電流導(dǎo)通角為90度；甲乙類(AB類)介于甲類和乙類之間，電流導(dǎo)通角大于90度、小于180度；丙類(C類)放大器電流導(dǎo)通角小于90度。乙類和丙類都適應(yīng)于大功率工作狀態(tài)。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是這幾種中最

43、高的。功率放大器多采用丙類放大器的形式。但是丙類放大器具有電流波形失真大的缺點(diǎn)，只能采用調(diào)諧回路作為負(fù)載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。</p><p>　　功率放大器還有使功率器件工作與開關(guān)狀態(tài)的丁類(D類)放大器和戊類(E類)放大器。丁類放大器的效率高于丙類放大器，理論上可達(dá)到100％，但它的最高工作頻率受到開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間所產(chǎn)生的器件功耗(集電極耗散功率或者陽(yáng)

44、極耗散功率)的限制。如果在電路上加以改進(jìn)，使電子器件在通斷轉(zhuǎn)換瞬間的功耗盡量減小，則丁類放大器的工作頻率可以提高，即構(gòu)成所謂的戊類放大器。這兩類放大器是晶體管射頻放大器的新發(fā)展。</p><p>　　功率放大器按照工作狀態(tài)可分為線性放大器和非線性放大器兩種。線性放大器的效率最高也只有50％，而非線性放大器則具有較高的效率。</p><p>　　功率放大電路主要要求獲得不失真（或失真較?。┑?/p>

45、輸出功率，要求輸出功率較大和工作效率較高，同時(shí)還要滿足帶寬、增益和穩(wěn)定性的要求。通常處在大信號(hào)工作狀態(tài)下，放大過程中會(huì)產(chǎn)生非線性失真。</p><p>　　功率放大器工作在非線性狀態(tài)下，屬于非線性電路，因此不能用線性等效電路來分析。通常采用的分析方法是圖解法和解析近似分析法。圖解法是利用電子器件的特性曲線來對(duì)它的工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算；解析近似分析法是將電子器件的特性曲線用某些近似解析式來表示，然后再對(duì)放大器的工作狀態(tài)

46、進(jìn)行分析計(jì)算。最常用的解析近似分析法是用折線來表示電子器件的特性曲線，稱為折線法?？偟膩碚f，圖解法是從客觀實(shí)際出發(fā)，計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，但對(duì)工作狀態(tài)的分析不方便，步驟比較繁冗；折線近似法的物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便，但計(jì)算準(zhǔn)確度較低。</p><p>　　1.2.2 功率放大器的現(xiàn)狀</p><p>　　哪里有無線通信，哪里就有發(fā)射機(jī)，而只要有發(fā)射機(jī)，就一定有功率放大器。功率放大器發(fā)展至

47、今，有許多種類和應(yīng)用，有幾百毫瓦的蜂窩電話發(fā)射機(jī)、有基站幾十瓦的功放、也有上千瓦的電視信號(hào)發(fā)射機(jī)，但所有的功放，其設(shè)計(jì)所遵循的基本規(guī)律幾乎是相同的。</p><p>　　功率放大器的歷史很悠久，甲、乙、甲乙類、丙類的劃分方法可以追溯到上世紀(jì)30年代，現(xiàn)今這樣的概念仍然被廣泛使用。然而，隨著現(xiàn)代通信體制的發(fā)展，特別是數(shù)字調(diào)制技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用。功率放大器所涉及的許多概念正被重新定義或者修正?，F(xiàn)代功率放大器設(shè)計(jì)中，引入

48、了很多過去沒有的概念和技術(shù)。功率放大大器的設(shè)計(jì)考慮的因素越來越多，設(shè)計(jì)中折衷考慮的過程也越發(fā)復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和DSP技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)過程也和傳統(tǒng)方法大相徑庭，引入了建模、仿真等新工具。并且出現(xiàn)了很多新的電路方案，例如:結(jié)合DSP技術(shù)的反饋技術(shù)，卡特生環(huán)等。</p><p>　　功率放大器發(fā)展至今，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于軍用，民用通信領(lǐng)域?，F(xiàn)代通信的發(fā)展對(duì)帶寬，線性，效率等指標(biāo)提出了更高的要求。相應(yīng)的功放研究也成了未

49、來的趨勢(shì)和熱點(diǎn)。隨著材料，計(jì)算機(jī)，以及功放相關(guān)理論的進(jìn)一步發(fā)展，可以預(yù)見指標(biāo)更優(yōu)的功率放大器，不久將會(huì)出現(xiàn)，并服務(wù)于無線通信領(lǐng)域。</p><p>　　1.2.3 功率放大器的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　功率放大器研制的一大難點(diǎn)是線性度的提高，高線性放大器是功率放大器發(fā)展的一大趨勢(shì)。目前，針對(duì)提高線性指標(biāo)的研究，己成為熱點(diǎn)。出現(xiàn)了許多先進(jìn)的技術(shù)和新穎的方案。比較傳統(tǒng)的功率回退法，由于其效

50、率低下已不能滿足要求。失真反饋技術(shù)，預(yù)失真技術(shù)，前饋技術(shù)等一批新電路解決方案的研究已取得了一定進(jìn)展。可以預(yù)見，未來的線性放大器會(huì)兼有高效率，高線性，超寬帶特性等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　隨著超寬帶技術(shù)在通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，超寬帶功率放大器在逐漸在功率放大器家族中嶄露頭角，成為功率放大器發(fā)展的另一大趨勢(shì)。作為UWB無線通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中的重要一環(huán)，超寬帶功率放大器性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到通信的質(zhì)量好壞。如何進(jìn)一步開發(fā)在更

51、高頻率，更寬頻帶并能穩(wěn)定工作的低功耗的超寬帶功率放大器是目前UWB技術(shù)工作人員的工作重點(diǎn)。</p><p>　　1.3 論文研究的目的和意義</p><p>　　隨著UWB技術(shù)的迅猛發(fā)展，它在無線通信、移動(dòng)電話、衛(wèi)星通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、直播衛(wèi)星接收(DBS)、ITS通信技術(shù)及毫米波自動(dòng)防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。超寬帶通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)超寬帶功率放大器也提出了更高的輸

52、出功率和更大帶寬的要求。</p><p>　　本論文研究的基于功放級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)和負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的超寬帶功率放大器具有可靠性高、工作帶寬大、使用電壓低、輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)當(dāng)今UWB通信的技術(shù)需求。</p><p>　　本課題為:“超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)”。課題來源于趙紅梅老師的射頻研究工作。本人設(shè)計(jì)的是工作在1.6～2.2GHz頻段的功率放大器。</p><p><

53、;b>　　(1) 技術(shù)難點(diǎn):</b></p><p><b>　　輸出增益大。</b></p><p>　　在微波狀態(tài)下，功率放大管參數(shù)易波動(dòng)。</p><p>　　工作頻帶寬，要求精心設(shè)計(jì)、構(gòu)建合適的超寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　在高頻率，超寬帶的條件下，保證功率放大器能在穩(wěn)定條件下正常工作。

54、</p><p>　　(2) 作者所做的工作:</p><p>　　根據(jù)課題的總體技術(shù)指標(biāo)要求和要求實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和設(shè)計(jì)。</p><p>　　對(duì)系統(tǒng)各功能電路進(jìn)行深入分析和理解。并就課題所采用的方案做仿真驗(yàn)證、研究之后設(shè)計(jì)出完整電路。</p><p>　　完成具體電路的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真。</p><p>

55、;　　本論文的主要工作圍繞超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)展開。論文首先對(duì)UWB技術(shù)和功率放大器的分類特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，而后對(duì)設(shè)計(jì)超寬帶放大器所涉及的理論進(jìn)行研究，之后對(duì)超寬帶功率放大器的仿真理論做了分析，并進(jìn)行了相關(guān)仿真及驗(yàn)證，根據(jù)分析以及計(jì)算，給出了仿真優(yōu)化結(jié)果。</p><p>　　1.4 論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排</p><p>　　本論文在研究傳統(tǒng)的放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，針對(duì)功率放大和寬頻

56、帶的要求提出兩級(jí)功放結(jié)構(gòu)和負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，并將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工作頻帶為1.6GHz-2.2GHz的超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)中。通過設(shè)計(jì)和仿真證明了其結(jié)構(gòu)的有效性。本論文的具體文章結(jié)構(gòu)安排如下：</p><p>　　第一章緒論。講述目前UWB技術(shù)和功放的特點(diǎn)及廣泛應(yīng)用，論述了本課題研究的意義及本論文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排。</p><p>　　第二章講述了超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和功率放大器設(shè)計(jì)的基

57、本理論。描述了二端口網(wǎng)絡(luò)等功率放大器設(shè)計(jì)的基本理論、負(fù)反饋技術(shù)和阻抗匹配理論及史密斯圓圖概念。</p><p>　　第三章詳細(xì)闡述了超寬帶放大器設(shè)計(jì)過程，并給出了仿真結(jié)果。</p><p>　　最后一章對(duì)本論文的工作進(jìn)行了總結(jié)和概括。</p><p>　　2 超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)理論</p><p>　　2.1 超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)&

58、lt;/p><p>　　超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)需要考慮一些特殊因素。輸入、輸出匹配電路需要精心設(shè)計(jì)、調(diào)試，以便降低電壓駐波比、避免寄生振蕩。為了工作穩(wěn)定，阻抗匹配分析通常被作為超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)的重要一步。穩(wěn)定性分析以及增益都是放大器設(shè)計(jì)所要考慮的基本要素。依據(jù)這些要素才能設(shè)計(jì)出符合增益、增益平坦度、輸出功率、帶寬等要求的放大器。</p><p>　　超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)面臨著很多挑戰(zhàn)。一般

59、來說，要使超寬帶功率放大器在一個(gè)很寬的頻段內(nèi)工作并且在該頻段內(nèi)保持恒定增益，那么就需要合理地設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)或反饋網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榫w管的隨頻率的增大而減小。以下為超寬帶放大器設(shè)計(jì)過程中所面臨的難題。</p><p>　　(1) 和隨頻率的變化。隨頻率的升高而下降，而卻隨頻率的升高而升高。圖2.1為微波晶體管和隨頻率變化的曲線圖。</p><p>　　圖2-1 和隨頻率變化圖</p>

60、<p>　　(2) 和也隨頻率的變化而變化，在較寬的頻段內(nèi)，和的變化對(duì)放大器電路的各個(gè)性能參數(shù)都會(huì)有很大影響。</p><p>　　(3) 在超寬帶放大器的某些頻段，輸入輸出電壓駐波比VSWR會(huì)發(fā)生退化。</p><p>　　(4) 理論的局限性。</p><p>　　根據(jù)博德（H.W.Bode）1945年提出的增益帶寬極限定理，對(duì)于恒定的增益帶寬積(GB

61、W)，可以通過反饋的方法在增益和帶寬之間進(jìn)行折衷。而增益帶寬積GBW(以晶體管的GBW為例)和直流功耗成比例。因此，增益帶寬積GBW的增大意味著電路直流功耗的增多。對(duì)于應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行高性能放大器設(shè)計(jì)來說，的增大將是一個(gè)很可怕的任務(wù)。通?？梢圆捎脙煞N方法來設(shè)計(jì)超寬帶放大器(1)運(yùn)用補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)的方法(2)運(yùn)用負(fù)反饋的方法。</p><p>　　補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)的方法通過使輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)失配來補(bǔ)償因頻率的改

62、變而發(fā)生變化的部分。匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是為了得到最好的輸入輸出電波比。</p><p>　　在設(shè)計(jì)上傳統(tǒng)窄帶放大器的端口匹配，一般是按照低噪聲或者共扼匹配來設(shè)計(jì)的，以此獲得低噪聲放大器或者最大的輸出功率。但是，在超寬帶的條件下，輸入輸出阻抗變化是比較大的，此時(shí)僅使用共扼匹配的概念是不合適的。正因?yàn)槿绱耍瑢拵Х糯笃鞯钠ヅ潆娐吩O(shè)計(jì)方法也與窄帶放大器有所不同，超寬頻帶放大器電路結(jié)構(gòu)主要可以分為以下幾種：</p>

63、;<p>　　(1)平衡式放大器(2)反饋式放大器(3)分布式放大器(4)有耗匹配式放大器(5)有源匹配式放大器(6)達(dá)靈頓對(duì)結(jié)構(gòu)。各種結(jié)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)和適用的情況，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體放大器的性能指標(biāo)要求進(jìn)行合理的選擇。</p><p>　　2.2 功率放大器的背景理論</p><p>　　2.2.1 工作頻帶</p><p>　　工作頻帶通常指放

64、大器滿足其全部性能指標(biāo)的連續(xù)頻率范圍。放大器的實(shí)際工作頻率盡可能限制在所定的工作頻率范圍。</p><p>　　2.2.2 二端口S參數(shù)</p><p>　　為了描述一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的工作特性，必須同時(shí)獲得其傳輸和阻抗函數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)。在低頻情況下，z、y、h或ABCD參數(shù)用于描述二端口網(wǎng)絡(luò)非常有用。而在微波頻段，由于對(duì)于交流信號(hào)的短路和開路很難在微波寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，z、y、h或ABCD參數(shù)的

65、測(cè)量就非常困難。因此，在微波頻率下，二端口網(wǎng)絡(luò)需要一種新的描述方法，即散射參數(shù)（S參數(shù)）。這些參數(shù)是根據(jù)傳輸波來定義的，它們可以整的描述二端口的特性。S參數(shù)可簡(jiǎn)單地用于電路分析，也可直接應(yīng)用于流圖定理（flow graph theory），還可用于描述n端口網(wǎng)絡(luò)的特性。</p><p>　　圖2-2 二端口網(wǎng)絡(luò)的入射波和反射波</p><p>　　如圖2-2的二端口網(wǎng)絡(luò)，引入歸一化入射波

66、和歸一化反射波和反射系數(shù)Γ(x)</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　且在端口1以表示入射波（定位于），以表示反射波，在端口2以表示入射波（定位于），以表示反射波，則根據(jù)式(2-1)可得到</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b&g

67、t;　　(2-3)</b></p><p>　　顯然、、和分別為圖2-2中1端口和2端口的入射波和反射波的數(shù)值。參數(shù)、、和代表反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，稱之為二端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)（S參數(shù)），可由端口1和端口2處測(cè)得。將參數(shù)矩陣</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　稱之為散射矩陣。表示在端口1處入射波對(duì)反射波

68、的貢獻(xiàn)。同理，表示在端口2處入射波對(duì)反射波的貢獻(xiàn)。</p><p>　　S參數(shù)表示被看成是反射系數(shù)或傳輸系數(shù)。由式(2-4)，S參數(shù)在特定位置的測(cè)量值如圖2.1所示的端口1和端口2，定義為</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>

69、;<b>　　(2-7)</b></p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　?。憾丝?匹配時(shí)，端口1的反射系數(shù)，可以用來表示回波損耗的大小，既有多少能量被反射回源端，在所能達(dá)到的范圍，值越小越好。</p><p>　?。憾丝?匹配時(shí)，端口2的反射系數(shù) </p><p>　?。?/p>

70、端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向電壓傳輸系數(shù)，可以用來表示增益的大小，在所能達(dá)到的范圍，值越大越好。</p><p>　?。憾丝?匹配時(shí)，端口2到端口1的反向電壓傳輸系數(shù)</p><p>　　若圖2-2中的二端口網(wǎng)絡(luò)代表一個(gè)晶體管，那么晶體管必須有適當(dāng)?shù)闹绷髌?。因此，S參數(shù)是在小信號(hào)條件下給定的Q點(diǎn)（工作點(diǎn)）測(cè)量的。而且，S參數(shù)是隨頻率變化的，當(dāng)頻率改變時(shí)，它的值必須重新測(cè)量。 <

71、;/p><p>　　2.2.3 功率增益及增益平坦度</p><p><b>　　(1) 功率增益</b></p><p>　　功率增益指輸入輸出良好匹配的情況下，輸出功率與輸入功率的比值。單位用dB表示。功率增益定義為: </p><p><b>　　(2-9)</b></p><

72、p>　　在射頻微波晶體管放大器電路設(shè)計(jì)中，我們又可以見到以下幾種增益定義，它們?nèi)Q于人們對(duì)射頻放大器運(yùn)行機(jī)制的了解。</p><p><b>　?、?工作功率增益</b></p><p>　　指放大器輸出端口傳送到負(fù)載的功率與信號(hào)源實(shí)際傳送到放大器輸入端口的功率之比。它是放大器在實(shí)際工作中產(chǎn)生的真正功率增益的量度。適用于最大線性輸出功率。</p>

73、<p><b>　?、?資用功率增益</b></p><p>　　指放大器輸出端口的資用功率與信號(hào)源的資用功率的比值。它是在負(fù)載端口匹配情況下的轉(zhuǎn)換功率增益。資用功率增益適用于低噪聲放大器(LNA)。</p><p><b>　?、?轉(zhuǎn)換功率增益</b></p><p>　　指放大器的輸出端口實(shí)際傳送到負(fù)載的功率

74、與放大器輸入端口信號(hào)源的資用功率的比值。它定量的描述了插入在信號(hào)源與負(fù)載之間的放大器增益。它是放大器在輸入端口單獨(dú)實(shí)現(xiàn)共扼匹配的特殊情況下的功率增益，它不是一個(gè)實(shí)際的工作功率增益。</p><p>　?、?單向轉(zhuǎn)換功率增益</p><p>　　單向化設(shè)計(jì)只是簡(jiǎn)單地忽略輸入端口與輸出端口之間的相互作用，是一種近似的設(shè)計(jì)方法。而實(shí)際中由于晶體管內(nèi)部反饋效應(yīng)的存在，反向電壓傳輸系數(shù)。在放大器單向

75、化設(shè)計(jì)時(shí)，將反向電壓傳輸系數(shù)忽略。這樣放大器的轉(zhuǎn)換功率增益就成為單向轉(zhuǎn)換功率增益。</p><p><b>　　(2) 增益平坦度</b></p><p>　　增益平坦度表征功率放大器增益在一定溫度下，整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)變化大小。它定義為放大信號(hào)輸出幅度隨頻率的變化量。它用工作頻率范圍內(nèi)最大輸出幅度與最小幅度(用dB單位)差值表示。該差值即是用dB表示的放大器輸出幅度

76、隨頻率變化的峰—峰值，如圖2.3所示。增益平坦度由下式表示:</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　其中和分別為功放在工作頻率范圍內(nèi)的最大增益和最小增益。</p><p>　　圖2-3 增益平坦度示意圖</p><p>　　2.2.4 輸入輸出電壓駐波比</p><p&

77、gt;　　在很多情況下，微波晶體管放大器的特性用輸入電壓駐波比和輸出電壓駐波比來描述。寬帶放大器中，輸入、輸出電壓駐波比表征了其輸入、輸出回路的匹配情況。</p><p>　　圖2-4 晶體管放大器</p><p>　　在圖2-4，可以將輸入到匹配網(wǎng)絡(luò)M1輸入端的功率用其輸入反饋系數(shù)表示為</p><p><b>　　(2-11)</b><

78、;/p><p><b>　　式中，</b></p><p><b>　　(2-12)</b></p><p><b>　　令</b></p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　稱為源失配因子，則≤1，利用/比

79、值關(guān)系可推導(dǎo)出</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　由公式(2-13)可得到</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　所以，無耗網(wǎng)絡(luò)M1輸入端的輸入電壓駐波比（VSWR）可寫為</p><p><b>

80、　　(2-16)</b></p><p><b>　　類似的，也可得出</b></p><p><b>　　(2-17)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　(2-18)</b></p>

81、<p><b>　　令</b></p><p><b>　　(2-19)</b></p><p>　　稱為負(fù)載失配因子，則≤1，利用/比值關(guān)系可推導(dǎo)出</p><p><b>　　(2-20)</b></p><p>　　由公式（2-19）可得</p>

82、<p><b>　　(2-21)</b></p><p>　　所以，無耗網(wǎng)絡(luò)輸出端的輸出電壓駐波比（VSWR）可寫為</p><p><b>　　(2-22)</b></p><p>　　因此，輸入、輸出電壓駐波比可由源和負(fù)載失配因子計(jì)算得出。</p><p>　　超寬帶放大器輸入端存在的

83、失配在某些情況下會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對(duì)系統(tǒng)的影響，可用隔離器等其他措施來解決。</p><p><b>　　2.2.5 穩(wěn)定性</b></p><p>　　在微波電路設(shè)計(jì)中，放大器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的考慮因素。其中，微波電路的穩(wěn)定性可以用S參數(shù)來表示。如果電路的輸入或輸出端電阻為負(fù)電阻，二端口網(wǎng)路就可能發(fā)生振蕩。振蕩

84、發(fā)生在輸入或輸出端反射系數(shù)大于1的條件下。(即>1或>1)</p><p>　　放大器的穩(wěn)定性分為絕對(duì)穩(wěn)定性和相對(duì)穩(wěn)定性兩種。當(dāng)放大器處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下，對(duì)于所有無源負(fù)載和有源阻抗來說，放大器電路的輸入和輸出端電阻的實(shí)部為正，當(dāng)放大器處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下，放大器電路輸入端電阻或輸出端電阻的實(shí)部為負(fù)。</p><p>　　在放大器設(shè)計(jì)中，對(duì)于工作頻段內(nèi)的每個(gè)頻率點(diǎn)，都需要做穩(wěn)定性測(cè)

85、試。</p><p>　　圖2-5 二端口網(wǎng)絡(luò)的、 、 、</p><p>　　二端口網(wǎng)絡(luò)的、 、 、可以用S參數(shù)來表示。對(duì)于給定頻率點(diǎn)的絕對(duì)穩(wěn)定性，、 、 、應(yīng)滿足如下條件。</p><p><b>　　(2-23)</b></p><p><b>　　(2-24)</b></p>

86、;<p><b>　　(2-25)</b></p><p><b>　　(2-26)</b></p><p>　　二端口網(wǎng)絡(luò)為絕對(duì)穩(wěn)定的充要條件為</p><p><b>　　(2-27) </b></p><p><b>　　(2-28)</b&

87、gt;</p><p>　　在實(shí)際中，大部分的微波晶體管放大器由于內(nèi)部反饋，都處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)。針對(duì)這個(gè)問題，有兩種解決方法。第一種解決方法是通過反饋來穩(wěn)定放大器。此外，通過史密斯圓圖確定源反射系數(shù)和負(fù)載反射系數(shù)小于1的區(qū)域。(即和的實(shí)部為正的區(qū)域) </p><p>　　通過使方程(2-25)和(2-26)為1，在穩(wěn)定性圓中求解,。其中，穩(wěn)定性圓的圓心和半徑根據(jù)下式求得，對(duì)于輸出穩(wěn)圓&

88、lt;/p><p><b>　　(2-29)</b></p><p><b>　　(2-30)</b></p><p><b>　　對(duì)于輸入穩(wěn)定圓</b></p><p><b>　　(2-31)</b></p><p><b&g

89、t;　　(2-32)</b></p><p>　　要確定穩(wěn)定區(qū)域,需要在史密斯圓圖中畫出穩(wěn)定性圓?；蛘哒f找出能滿足和的和區(qū)域。</p><p>　　在窄帶或?qū)拵?yīng)用中，通常情況下微波放大器在特定頻段都要面臨穩(wěn)定性問題。一般來說，微波放大器的不穩(wěn)定性主要由以下三個(gè)因素引起的。</p><p>　　(1) 晶體管周圍的內(nèi)反饋。</p><

90、p>　　(2) 晶體管周圍外部電路所引起的外反饋。</p><p>　　(3) 在工作頻段以外頻率點(diǎn)的過增益。</p><p><b>　　2.3 負(fù)反饋技術(shù)</b></p><p>　　在超寬帶放大器的應(yīng)用中，負(fù)反饋有很多優(yōu)點(diǎn)。例如增益穩(wěn)定性高(能抵制工藝過程中各因素的變化及供電電源的變動(dòng))、低失真(以增益的犧牲為代價(jià))、在噪聲控制及阻

91、抗匹配設(shè)計(jì)時(shí)，通過負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)可以靈活地調(diào)節(jié)端電阻。此外，在高增益超寬帶放大器設(shè)計(jì)中，可以通過負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)在增益和帶寬之間進(jìn)行折衷。關(guān)于負(fù)反饋技術(shù),目前存在以下幾種類型。</p><p><b>　　(1) 電阻性反饋</b></p><p><b>　?、?R-C負(fù)反饋</b></p><p>　　R-C負(fù)反饋電路除了具有一

92、般負(fù)反饋的優(yōu)點(diǎn)外，與電抗性反饋電路相比，在芯片上所占的面積小,因而在超寬帶放大器設(shè)計(jì)中，被廣泛應(yīng)用。然而采用R-C負(fù)反饋技術(shù)也同樣面臨著很大挑戰(zhàn)。因?yàn)榉糯箅娐返脑鲆婧腿Q于反饋電路中所有原件的值，R-C負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)于器件數(shù)值的變動(dòng)很敏感。</p><p>　?、?R-L-C負(fù)反饋</p><p>　　在R-L-C負(fù)反饋結(jié)構(gòu)中，電感的阻抗值會(huì)隨著頻率的增大而增加。因而，與R-C負(fù)反饋相比，隨

93、著頻率的升高，各個(gè)頻率點(diǎn)的反饋量將減小。然而，在高頻段，大電感的自振頻率很低，因而很難實(shí)現(xiàn)自振頻率高且大數(shù)值的電感。</p><p>　　(2) 電抗性負(fù)反饋</p><p><b>　?、?變壓器反饋</b></p><p>　　由于變壓器中的損耗相對(duì)來說比較小，因而可以通過采用變壓器反饋技術(shù)來改善放大器的噪聲性能。同時(shí)，通過片上變壓器可以實(shí)

94、現(xiàn)絕對(duì)穩(wěn)定的帶通反饋網(wǎng)絡(luò)。然而，采用變壓器反饋技術(shù)也面臨著很多難題。例如芯片面積的增大、設(shè)計(jì)的復(fù)雜性(例如更長(zhǎng)的仿真時(shí)間和設(shè)計(jì)周期)。此外，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于變壓器反饋，確定一個(gè)適當(dāng)?shù)哪Ｐ陀质且粋€(gè)難題。</p><p><b>　　② L-C反饋</b></p><p>　　通過采用L-C反饋技術(shù)來降低電容對(duì)放大器頻率的影響從而提高電路的穩(wěn)定性。在我們的超寬帶功率

95、放大器設(shè)計(jì)中，基于同樣的原因，在放大器的第二級(jí)采用了L-C反饋。</p><p>　　基于以上對(duì)各種負(fù)反饋技術(shù)的分析，為了進(jìn)一步地展寬放大器的帶寬和提高放大器的穩(wěn)定性，在超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)的過程中，我們提出了負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于放大器的第一級(jí)。</p><p><b>　　2.4 阻抗匹配</b></p><p>　　阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)

96、源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對(duì)于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。當(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí)，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份絕對(duì)值相等而符號(hào)相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。</p><p>　　在超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)中，要獲得最大傳

97、輸功率，負(fù)載阻抗必須滿足共軛匹配，如果負(fù)載阻抗不滿足共軛匹配的條件，就要在負(fù)載和信號(hào)源之間加一個(gè)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，將負(fù)載阻抗變換為信號(hào)源阻抗的共軛，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。輸入和輸出匹配電路應(yīng)滿足</p><p><b>　　（2-33）</b></p><p><b>　?。?-34） </b></p><p><b>　

98、　即共軛匹配。</b></p><p>　　圖2-6 晶體管放大器 </p><p>　　如圖2-6所示，由(2-25)式和(2-26)及,可以得出</p><p><b>　　(2-35)</b></p><p><b>　　(2-36)</b></p><p>

99、;　　對(duì)于一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)來說，要能同時(shí)共軛匹配，二端口網(wǎng)絡(luò)必須處于絕對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下。在同時(shí)共軛匹配的狀態(tài)下，最大傳輸功率可以用(2-37)式來表示。即</p><p><b>　　(2-37)</b></p><p>　　同時(shí)，最大穩(wěn)定增益為K=1時(shí)的值。即</p><p><b>　　(2-38)</b></p&g

100、t;<p>　　表示所能達(dá)到的最大值。</p><p><b>　　2.5 史密斯圓圖</b></p><p>　　P．H．Simth開發(fā)了以保角映射原理為基礎(chǔ)的圖解。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是有可能在同一個(gè)圖中簡(jiǎn)單直觀地顯示出傳輸線阻抗以及反射系數(shù)。</p><p>　　反射系數(shù)(reflection coefficient)能用下式的復(fù)

101、數(shù)形式表達(dá)出來： </p><p><b>　　（2-39）</b></p><p>　　其中，是電路的負(fù)載值,是傳輸線的特性阻抗值，通常會(huì)使用50Ω。</p><p>　　圖2-7 等電阻圓和等電抗圓圖 </p><p>　　圖2-7是史密斯圓圖中的等電阻圓和等電抗圓圖。圖中的圓形線代表電阻抗力的實(shí)數(shù)值，即電阻值，中間

102、的橫線與向上和向下散出的線則代表電阻抗力的虛數(shù)值，即由電容或電感在高頻下所產(chǎn)生的阻力，當(dāng)中向上的是正數(shù)，向下的是負(fù)數(shù)。圖表最中間的點(diǎn)(1+j0)代表一個(gè)已匹配(matched)的電阻數(shù)值()，同時(shí)其反射系數(shù)的值會(huì)是零。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長(zhǎng)度是1，即100% 反射。有一些圖表是以導(dǎo)納值(admittance)來表示，把上述的阻抗值版本旋轉(zhuǎn)180度即可。</p><p>　　根據(jù)上面介紹的等電阻圓和等電抗圓圖

103、，能過簡(jiǎn)單有效的確定電路的阻抗，并進(jìn)行阻抗匹配。利用史密斯圓圖可以完成以下工作：</p><p>　　(1) 讀取阻抗、導(dǎo)納、反射系數(shù)等常用的射頻電路參數(shù)</p><p>　　(2) 進(jìn)行傳輸線的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)</p><p>　　(3) 分析電路的增益和穩(wěn)定系數(shù)</p><p>　　(4) 分析電路的噪聲系數(shù)和駐波比</p>&

104、lt;p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要回顧了超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和功率放大器的基礎(chǔ)理論知識(shí)，包括二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)等放大器的主要性能參數(shù)、負(fù)反饋技術(shù)、阻抗匹配理論及史密斯圓圖概念。 </p><p>　　3 超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 超寬帶功率放大器性能指標(biāo)參數(shù)</

105、p><p>　　本次設(shè)計(jì)的是超寬帶功率放大器，放大器工作在發(fā)射端，其主要技術(shù)指標(biāo)為：</p><p>　　工作帶寬：1.6GHz~2.2GHz</p><p>　　功率增益：20dB左右</p><p><b>　　穩(wěn)定系數(shù)：>1</b></p><p>　　輸入電壓駐波比：<1.5<

106、;/p><p>　　輸出電壓駐波比：<2</p><p>　　3.2 晶體管的選取</p><p>　　晶體管的選擇，在整個(gè)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，首先是選擇的晶體管必須符合設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，再次就是在多款符合的芯片中選擇最合適的。</p><p>　　我選用了西門子公司的BFP420微波管。該管是NPN型的雙極結(jié)晶體管,它的特征頻率為25GHz,它

107、的功率增益和噪聲系數(shù)在頻率為1.8GHz時(shí)分別為17.6dB,1.05dB，能夠應(yīng)用于超寬帶功率的放大。</p><p>　　圖3-1顯示了單個(gè)晶體管的K因子曲線。從圖可以看出，當(dāng)頻率小于1.8GHz時(shí)K因子都小于1，這意味著晶體管沒有工作在絕對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下。因此，要使晶體管工作在絕對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下，在我們的超寬帶放大器設(shè)計(jì)中，采用了負(fù)反饋技術(shù)來穩(wěn)定電路。</p><p>　　此外，從圖3-

108、2可以看出，1.6GHz~2.2GHz的頻段內(nèi)，單個(gè)晶體管的增益小于20dB。因此，為了獲得更高的增益，在我們的設(shè)計(jì)中，采用了兩級(jí)放大的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)放大器的增益在20dB左右。</p><p>　　圖3-1 晶體管K因子曲線</p><p>　　圖3-2 晶體管增益曲線</p><p>　　3.3 超寬帶功率放大器的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　

109、　要使放大器工作在絕對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下并有適當(dāng)?shù)脑鲆?，在我們的超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)中，采用了負(fù)反饋結(jié)構(gòu)和兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。圖3-3為所設(shè)計(jì)的超寬帶功率放大器的結(jié)構(gòu)圖。為使傳輸?shù)脑鲆孀畲螅谖覀兊妮斎肫ヅ?，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過程中，采用了同時(shí)共軛匹配的方法。</p><p>　　圖3-3超寬帶功率放大器的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.4 超寬帶功率放大器的第一級(jí)設(shè)計(jì)</p><

110、;p>　　要使晶體管工作在絕對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下，在超寬帶功率放大器的第一級(jí)設(shè)計(jì)中，我們采用了負(fù)反饋結(jié)構(gòu)來穩(wěn)定電路。此外，該負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)也是輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的一部分。在超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)中，要使每個(gè)頻率點(diǎn)都匹配到50Ω是不可能的?？紤]到增益平坦度在匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能地使得工作頻段的高頻段反射系數(shù)比低頻段的好。圖3-4、圖3-5和圖3-6顯示了超寬帶功率放大器第一級(jí)設(shè)計(jì)的原理圖及相應(yīng)的阻抗匹配圖。</p><p>

111、　　圖3-4 超寬帶放大器第一級(jí)設(shè)計(jì)的原理圖</p><p>　　圖3-5 超寬帶功率放大器第一級(jí)輸入阻抗匹配</p><p>　　圖3-6 超寬帶功率放大器第一級(jí)輸出阻抗匹配</p><p>　　3.5 超寬帶功率放大器的第二級(jí)設(shè)計(jì)</p><p>　　在超寬帶功率放大器的第二級(jí)設(shè)計(jì)中，對(duì)于負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，我們采用了L-C反饋網(wǎng)絡(luò)。為獲得

112、由第一級(jí)到第二級(jí)的最大傳輸增益，根據(jù)同時(shí)共軛匹配的原理，在兩級(jí)之間進(jìn)行了級(jí)間共軛匹配，圖3-7、圖3-8和圖3-9為超寬帶功率放大器第二級(jí)的原理圖和相應(yīng)的阻抗匹配圖。</p><p>　　圖3-7 超寬帶功率放大器第二級(jí)設(shè)計(jì)的原理圖</p><p>　　圖3-8 超寬帶功率放大器第二級(jí)輸入阻抗匹配</p><p>　　圖3-9 超寬帶功率放大器第二級(jí)輸出阻抗匹配&l

113、t;/p><p>　　3.6 超寬帶功率放大器的原理圖 </p><p>　　基于以上對(duì)超寬帶放大器的第一級(jí)，第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，在綜合考慮超寬帶放大器的各個(gè)性能指標(biāo)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行電路的整體調(diào)試和仿真，最后超寬帶功率放大器的原理圖如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 超寬帶功率放大器的原理圖</p><p>　　3.7 電路仿真結(jié)果

114、 </p><p>　　3.7.1 阻抗匹配</p><p>　　所設(shè)計(jì)的超寬帶功率放大器經(jīng)過仿真，輸入輸出阻抗匹配如圖3-11和圖3-12所示，可見在1.6～2.2GHz的頻帶范圍內(nèi)，輸入輸出阻抗匹配基本合理。</p><p>　　圖3-11 超寬帶功率放大器輸入阻抗匹配</p><p>　　圖3-12超寬帶功率放大器輸出匹配</p&

115、gt;<p><b>　　3.7.2 增益</b></p><p>　　由圖3-13可知，在1.6～2.2GHz的頻帶范圍內(nèi)，超寬帶功率放大器的增益為20dB左右，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　圖3-13 超寬帶功率放大器增益 </p><p><b>　　3.7.3 穩(wěn)定性</b></p>

116、<p>　　所設(shè)計(jì)的超寬帶功率放大器的穩(wěn)定性如圖3-14所示，在1.6～2.2GHz的頻帶范圍內(nèi)，圖中穩(wěn)定系數(shù)均大于1，可以看出，所設(shè)計(jì)的的超寬帶功率放大器在1.6～2.2GHz的頻帶范圍內(nèi)都處于絕對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下。</p><p>　　圖3-14 超寬帶功率放大器穩(wěn)定系數(shù)</p><p>　　3.7.4 輸入輸出電壓駐波比</p><p>　　有圖3-

117、15和圖3-16可知，在1.6～2.2GHz的頻帶范圍內(nèi)，超寬帶功率放大器輸入電壓駐波比均小于1.5，輸出電壓駐波比均小于2。</p><p>　　圖3-15 超寬帶功率放大器輸入電壓駐波比</p><p>　　圖3-16 超寬帶功率放大器輸出電壓駐波比</p><p><b>　　3.8 本章小結(jié)</b></p><p&g

118、t;　　本章運(yùn)用超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)原理，基于功放級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)和負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，從晶體管的選取到匹配電路的設(shè)計(jì),詳細(xì)描述了超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)過程,最后給出了仿真結(jié)果，結(jié)果表明這個(gè)超寬帶功率放大器符合預(yù)設(shè)指標(biāo)。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　作為UWB通信發(fā)射系統(tǒng)的重要部件，本論文用ADS仿真軟件設(shè)計(jì)的1.6～2.2GHz的超寬帶功率放大