微波放大器研制畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展, 微波晶體管放大器在提高工作頻率和增大輸出功率等方面都取得了很大的進(jìn)展。但隨著晶體管工作頻率和輸出功率的提高, 其輸入和輸出阻抗實(shí)部會(huì)非常低,并具有相當(dāng)?shù)碾娍?在實(shí)際應(yīng)用中, 這些低阻抗需要與系統(tǒng)特性阻抗(一般為50)相匹配, 并有足夠的帶寬。微波放大器近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗、廣播電視

2、等領(lǐng)域，它具有體積小、重量輕、耗電少、可靠性高、相位特性好的優(yōu)點(diǎn)，且一般都在50歐姆的微帶線上進(jìn)行調(diào)試因此, 在源和負(fù)載之間需要設(shè)計(jì)和制作一個(gè)寬帶、 高匹配的無(wú)源網(wǎng)絡(luò),使晶體管的實(shí)部得以提高,虛部盡量減小,這樣既可減小輸入端的反射功率,又能增大器件的輸出功率,這樣不僅提高了功率增益和集電極效率,也增加了功率管在整個(gè)頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性,充分發(fā)揮微波功率晶體管的性能,這種無(wú)源網(wǎng)絡(luò)被稱為微波匹配電路。</p><p>　　

3、1.1微波晶體管放大器的發(fā)展</p><p>　　微波放大器通常是隨著放大器件的生產(chǎn)和工藝技術(shù)的改進(jìn)而發(fā)展的。微波晶體管放大器也是如此。它隨著微波晶體管的生產(chǎn)和工藝技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，40年代末期，世界上第一只半導(dǎo)體三極管問世，由于其體積小，重量輕，省電等優(yōu)點(diǎn)，受到極大的重視。并迅速發(fā)展成為固體電子器件的一個(gè)重要分支。到60年代中期，由于平面外延工藝的發(fā)展，雙極晶體管的工作頻率跨進(jìn)了微波頻段，出現(xiàn)了微波雙極性晶體管

4、（BJI）及其相應(yīng)的放大器。早在1952年，W.肖克來(lái)就提出了場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，但是由于當(dāng)時(shí)工藝技術(shù)條件限制，這種管子還未發(fā)展成為實(shí)用固件器件。直到60年代中期，隨著半導(dǎo)體材料和工藝的迅速發(fā)展，F(xiàn)ET不但很快成為實(shí)用的固體器件，而且緊跟著在雙極晶體管之后迅速進(jìn)入微波頻段，出現(xiàn)了微波及其相應(yīng)的放大器。微波雙極性晶體管及微波并駕齊驅(qū)，是微波晶體管放大器的發(fā)展日新月異。60年代中期微波晶體放大器出現(xiàn)后，由于其頻帶寬，穩(wěn)定性好，省電，簡(jiǎn)單

5、的特點(diǎn)，并且其噪聲性能也不差，因而很快取代了之前的。隨著工作頻率的提高和噪聲性能的改善，到了60年代晚期，微波晶體管放大器開始取代了L和S波段的低噪聲行波管放大器?，F(xiàn)在由于技術(shù)的成熟再加上微波F</p><p>　　1.2微波晶體管放大器設(shè)計(jì)的發(fā)展</p><p>　　微波晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管殼封裝會(huì)形成許多寄生參量。由于這些寄生參量的影響，以及雙極性晶體管的基區(qū)和場(chǎng)效應(yīng)管的溝道分布特性，

6、使他們?cè)谖⒉l率上不便于在用低頻電流電壓的概念及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參量來(lái)分析，因?yàn)檫@些參量的測(cè)量已經(jīng)變得很困難，一直無(wú)法測(cè)量，這時(shí)用波的概念和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參量來(lái)分析較為有利。上世紀(jì)六十年代K·Kurokawa提出了功率波和散射參量（簡(jiǎn)稱S參量）。六十年代Bodway用他們來(lái)系統(tǒng)的分析微波晶體放大器。微波晶體尺寸很小，在微波頻率上其輸入和輸出阻抗較低，因此，無(wú)論在結(jié)構(gòu)方面，還是在阻抗匹配方面，它都適合于與微波電路等配合應(yīng)用。在微波晶體管設(shè)

7、計(jì)思想發(fā)展的同時(shí)，微波電路計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。由于微波電路較難進(jìn)行微調(diào)，在技術(shù)性能要求比較嚴(yán)格的放大器中，噪聲系數(shù)，工作頻率，增益平坦度，輸入輸出駐波比等許多技術(shù)指標(biāo)不僅要求苛刻，而且各指標(biāo)互有矛盾，只能依靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)支持。微波電路CAD技術(shù)源于六十年代末，大都在美國(guó)高等學(xué)院進(jìn)行研究。在七十年代中期已有商品軟件投放市場(chǎng)。同時(shí)國(guó)外各大公司的研究機(jī)構(gòu)也自行開發(fā)自己使用的程序。進(jìn)入八十年代后，不少微波CAD軟件公司

8、相繼成立</p><p>　　1.3通信的發(fā)展對(duì)微波放大器的要求</p><p>　　由于近年來(lái)無(wú)線通信、衛(wèi)星通信、全球定位系統(tǒng)、雷達(dá)及無(wú)線接入系統(tǒng)的發(fā)展、新型半導(dǎo)體器件的研制使得高速數(shù)字系統(tǒng)和高頻模擬系統(tǒng)不斷擴(kuò)張，達(dá)到微波頻段。微波放大器作為上述系統(tǒng)的前端部分，已經(jīng)在這些系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。而且對(duì)于這些通信系統(tǒng)的要求是通信距離越來(lái)越遠(yuǎn)，接受的靈敏度越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，相應(yīng)的對(duì)微波放大

9、器的基本要求是：</p><p>　　頻帶寬，相位線性好。由于微波晶體管從直流到微波的寬頻帶范圍內(nèi)都具有放大能力，因此易于實(shí)現(xiàn)寬帶化。它的寬帶主要受匹配網(wǎng)絡(luò)的限制；</p><p>　　穩(wěn)定性好，可靠性高。通常微波晶體管放大器都是二端口傳輸型放大器，穩(wěn)定性和可靠性都比其它的類型的放大器要好；</p><p>　　噪聲低。低噪聲微波晶體管放大器的噪聲系數(shù)可以做的很低，

10、優(yōu)于行波放大器和隧道二極管放大器的噪聲系數(shù)；</p><p>　　動(dòng)態(tài)范圍大。微波晶體管放大器功率增益1分貝壓縮點(diǎn)達(dá)毫瓦量級(jí)，因此動(dòng)態(tài)范圍大；</p><p>　　體積小，重量輕耗電少，易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和集成化。</p><p>　　1.4本文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排</p><p>　　本文的設(shè)計(jì)是針對(duì)微波晶體管在已知S參數(shù)的條件下對(duì)其最大功率增

11、益放大器輸入輸出電路的匹配設(shè)計(jì)，在本文中我們所選用的晶體管在5GHz時(shí)S矩陣為</p><p>　　對(duì)其輸入輸出電路進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。主要章節(jié)安排如下：</p><p>　　第二章介紹的是微波網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)；</p><p>　　第三章介紹了微波放大器的設(shè)計(jì)原理；</p><p>　　第四章介紹了這次設(shè)計(jì)中所用的仿真軟件AWR Microwave

12、 Office以及它的基本操作；</p><p>　　第五章是匹配電路的具體設(shè)計(jì)方案，和它的仿真優(yōu)化；最后一章是對(duì)本課題所做工作的總結(jié)。</p><p>　　第二章 微波網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)</p><p>　　2.1 網(wǎng)絡(luò)的基本概念</p><p>　　微波系統(tǒng)的研究方法：微波網(wǎng)絡(luò)理論。</p><p>　　任何一個(gè)微波系

13、統(tǒng)，都是由各種微波元件和微波傳輸線組成。</p><p>　　任何一個(gè)復(fù)雜的微波系統(tǒng)都可以用電磁場(chǎng)理論和低頻網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合的方法來(lái)求解，這種理論稱為微波網(wǎng)絡(luò)理論。</p><p><b>　　微波網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn);</b></p><p>　　任何一個(gè)微波系統(tǒng)都是由各種微波元件和微波傳輸線組成的。任何一個(gè)復(fù)雜的微波系統(tǒng)都可以用電磁場(chǎng)理論和低頻網(wǎng)絡(luò)理論

14、相結(jié)合的方法來(lái)分析，這種理論稱為微波網(wǎng)絡(luò)理論。</p><p>　　等效電路及其參量是對(duì)一個(gè)工作模式而言，對(duì)于不同的模式有不同的等效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參量。</p><p>　　電路中不均勻點(diǎn)附近將會(huì)激起干高次模，因此不均勻區(qū)段的網(wǎng)絡(luò)端面（即參考面）須取得稍遠(yuǎn)離不均勻區(qū)，是不均勻區(qū)激勵(lì)起的高次模衰減到足夠小，此時(shí)高次模對(duì)工作模式的影響僅增加一個(gè)電抗值，可以計(jì)入網(wǎng)絡(luò)參量之內(nèi)。</p>

15、<p>　　由于均勻傳輸線是微波網(wǎng)絡(luò)的一部分，它的網(wǎng)絡(luò)參量與線的長(zhǎng)度有關(guān)，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)參考面也要嚴(yán)格規(guī)定，一旦參考面移動(dòng)，則網(wǎng)絡(luò)參量就會(huì)改變。</p><p>　　微波網(wǎng)絡(luò)的等效電路及其參量只適用于一個(gè)頻段，當(dāng)頻率范圍大幅度變化是，對(duì)于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的阻抗和導(dǎo)納不僅有量的變化，而且性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化，致使等效電路及其參量也發(fā)生改變，而且頻率特性會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。</p><p>　　將微

16、波元件等效為微波網(wǎng)絡(luò)，必須解決的如下三個(gè)問題：</p><p>　　確定微波元件的參考面；</p><p>　　又橫向電磁場(chǎng)定義等效（模式）電壓、等效（模式）電流和等效（模式）阻抗，以便將均勻傳輸線等效為雙線傳輸線；</p><p>　　確定一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、建立網(wǎng)絡(luò)方程，以便將不均勻區(qū)等效為網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　微波網(wǎng)絡(luò)理論包括網(wǎng)絡(luò)分析和

17、網(wǎng)絡(luò)綜合</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)分析：對(duì)微波元件進(jìn)行分析，求其特性</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)綜合: 根據(jù)工作特性要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)的分類，其中包括線性與非線性微波網(wǎng)絡(luò)；互易與非互易微波網(wǎng)絡(luò)；有耗與無(wú)耗微波網(wǎng)絡(luò)；對(duì)稱與非對(duì)稱微波網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　2.2 波導(dǎo)等效為平行雙線</p><p>　　波導(dǎo)傳輸線 平

18、行雙線</p><p>　　為了定義任意截面沿z方向單模傳輸?shù)木鶆虿▽?dǎo)參考面上的模式電壓和模式電流，一般做如下規(guī)定：</p><p>　　令模式電壓正比于橫向電場(chǎng)；模式電流正比于橫向磁場(chǎng)；</p><p>　　模式電壓與模式電流共軛的乘積等于波導(dǎo)傳輸?shù)膹?fù)功率；</p><p>　　模式電壓與模式電流之比等于模式特性阻抗；</p>

19、<p>　　歸一化阻抗 (2-1)</p><p>　　故歸一化電壓和電流的定義為 (2-2)</p><p>　　復(fù)功率 (2-3)</p><p>　　等效雙線上的電壓和電流可寫成入射波和反射波之和，即<

20、;/p><p><b>　　(2-4)</b></p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　電壓、電流進(jìn)行歸一化</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　(2-7)</b>&l

21、t;/p><p>　　即 (2-8)</p><p>　　歸一化入射波電壓模的平方正比于入射波功率，即</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　歸一化反射波電壓模的平方正比于反射功率，即</p>

22、<p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　雙線上傳輸?shù)挠泄β?等于</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　2.3 微波元件等效為網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　不均勻區(qū) 集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò) </p><p

23、>　　2.3.1 網(wǎng)絡(luò)參考面的選擇</p><p>　　參考面的位置可以任意選，但必須考慮以下幾點(diǎn)：</p><p>　　單模傳輸時(shí)，參考面的位置盡量遠(yuǎn)離不連續(xù)性區(qū)域</p><p>　　參考面必須與傳輸方向相垂直（參考面上的電壓和電流有明確的意義） </p><p>　　網(wǎng)絡(luò)參考面的選定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)唯一確定</p><

24、p>　　單模傳輸，外接傳輸線的路數(shù)等于參考面數(shù)目。如下圖所示：</p><p>　　(a) 二端口微波網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　(b) 四端口微波網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　圖2-1微波元件及其等效網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　2.3.2 不均勻區(qū)等效為微波網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　微波元件對(duì)電磁波的控制作用是通過(guò)微波

25、元件內(nèi)部的不均勻區(qū)(不連續(xù)性邊界)和填充媒質(zhì)的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。將不均勻區(qū)等效為微波網(wǎng)絡(luò)，需要用到電磁場(chǎng)的唯一性原理和線性疊加原理。</p><p><b>　　唯一性原理</b></p><p>　　在一個(gè)封閉區(qū)域的邊界上，切向電場(chǎng)或者切向磁場(chǎng)如果是確定的那么區(qū)域內(nèi)的電磁場(chǎng)就被唯一確定</p><p>　　不連續(xù)性區(qū)域的邊界是由導(dǎo)體及網(wǎng)絡(luò)參考面構(gòu)

26、成的，參考面上的模式電壓和模式電流正比于橫向電場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)的幅度函數(shù)，如果網(wǎng)絡(luò)參考面上的電壓確定了，則網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電磁場(chǎng)就唯一地確定。</p><p><b>　　線性疊加原理</b></p><p>　　對(duì)于n端口線性網(wǎng)絡(luò)

27、 </p><p>　?。?-12）

28、 </p><p>　　式中Zmn為阻抗參量，若m=n稱它為自阻抗，若mn稱它為轉(zhuǎn)移阻抗。如果n端口網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)參考面上同時(shí)有電壓作用時(shí) </p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　式中Ymn為導(dǎo)納參量，若m=n稱它為自導(dǎo)納，若m≠n稱它為轉(zhuǎn)移

29、導(dǎo)納。</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　2.3.3 微波網(wǎng)絡(luò)的特性</p><p><b>　　線性與非線性網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　1)微波網(wǎng)絡(luò)參考面上的模

30、式電壓與模式電流呈線性關(guān)系</p><p>　　2）無(wú)源器件——線性網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　3）有源器件——非線性網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　可逆和不可逆網(wǎng)絡(luò)（互易和非互易網(wǎng)絡(luò)）</p><p>　　1）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只含有各向同性媒質(zhì)</p><p>　　2）非鐵氧體的無(wú)源微波元件——可逆網(wǎng)絡(luò)</p><

31、p>　　3）鐵氧體的微波元件和有源微波電路——不可逆網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　無(wú)耗和有耗網(wǎng)絡(luò)——網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部為無(wú)耗煤質(zhì)，且導(dǎo)體是理想導(dǎo)體，Pin=Pout</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　　對(duì)稱

32、和非對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　微波元件的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性——對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　（2-18）</b></p><p><b>　　三點(diǎn)規(guī)定：</b></p><p>　　電壓和電流僅對(duì)特定波導(dǎo)模式定義，且定義電壓與其橫向電場(chǎng)成正比，電流與其橫向磁場(chǎng)成正比。&l

33、t;/p><p>　　為了和電路理論中的電壓和電流應(yīng)用方式相似，等效電壓和電流的乘積應(yīng)當(dāng)?shù)扔谠撃Ｊ降墓β柿鳌?lt;/p><p>　　單一行波的電壓和電流這之比等于此線的特性阻抗。此阻抗可任意選擇。但通常選擇發(fā)、等于此微波傳輸線的波阻抗，或歸一化為1.</p><p>　　2.4 二端口微波網(wǎng)絡(luò) </p><p>　　2.4.1 二端口微波網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)

34、絡(luò)參量</p><p>　　在各種微波網(wǎng)絡(luò)中，二端口微波網(wǎng)絡(luò)是最基本的。例如：衰減器、移相器、阻抗變換器和濾波器等均屬于二端口微波網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　表征二端口微波網(wǎng)絡(luò)特性的參量可以分為兩大類： </p><p>　　反映網(wǎng)絡(luò)參考面上電壓與電流之間關(guān)系的參量 ；</p><p>　　反映網(wǎng)絡(luò)參考面上入射波電壓與反射波電壓之間關(guān)系的參量

35、。如圖2-2所示。</p><p>　　如圖2-2 二端口微波網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　阻抗參量 </b></p><p>　　用和兩個(gè)參考面上的電流表示兩個(gè)參考面上的電壓，其網(wǎng)絡(luò)方程為</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　各阻抗參

36、量元素定義如下： </p><p>　　表示面開路時(shí)，端口(1)的輸入阻抗；</p><p>　　表示面開路時(shí)，端口(2)的輸入阻抗；</p><p>　　表示面開路時(shí)，端口(2)至端口(1)的轉(zhuǎn)移阻抗；</p><p>　　表示面開路時(shí)，端口(1)至端口(2)的轉(zhuǎn)移阻抗;</p><p><b>　　特性阻

37、抗歸一化</b></p><p>　　和參考面上的歸一化電壓和歸一化電流分別為</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　　歸一化阻抗參量為</b></p><p><b>　　（2-21）</b></p><p

38、><b>　　導(dǎo)納參量</b></p><p>　　用T1和T2兩個(gè)參考面上的電壓表示兩個(gè)參考面上的電流，其網(wǎng)絡(luò)方程為 </p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　各導(dǎo)納參量元素定義如下 :</p><p>　　如果和參考面所接傳輸線的特性導(dǎo)納分別為和，則歸一化表示

39、式</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)移參量</b></p><p>　　用面上的電壓、電流來(lái)表示面上的電壓和電流的網(wǎng)絡(luò)方程，且規(guī)定電流流進(jìn)網(wǎng)絡(luò)為正方向，流出網(wǎng)絡(luò)為負(fù)方向。則有</p><p><b>　?。?-24）</b><

40、;/p><p><b>　　轉(zhuǎn)移參量的定義為</b></p><p>　　表示面開路時(shí)，端口(2)至端口(1)的電壓轉(zhuǎn)移系數(shù)；</p><p>　　表示面短路時(shí)，端口(2)至端口(1)的轉(zhuǎn)移阻抗；</p><p>　　表示面開路時(shí)，端口(2)至端口(1)的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納；</p><p>　　表示面短路時(shí)，

41、端口(2)至端口(1)的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)。</p><p><b>　　歸一化方程 </b></p><p>　　（2-25） </p><p>　　不管電路如何變化，信號(hào)源輸出功率可以設(shè)法保持不變，而且很容易得到匹配的終端負(fù)載。</p><p><b>　　散射參量<

42、/b></p><p>　　二端口網(wǎng)絡(luò)參考面和面上的歸一化入射波電壓和歸一化反射波電壓應(yīng)用疊加原理，可以用兩個(gè)參考面上的入射波電壓來(lái)表示兩個(gè)參考面上的反射波電壓，其網(wǎng)絡(luò)方程為</p><p><b>　?。?-26）</b></p><p><b>　　散射參量的定義為 </b></p><p&g

43、t;　　表示面接匹配負(fù)載時(shí)，面上的電壓反射系數(shù)； </p><p>　　表示面接匹配負(fù)載時(shí)，面至面的電壓傳輸系數(shù)；</p><p>　　表示面接匹配負(fù)載時(shí)，面至面的電壓傳輸系數(shù)；</p><p>　　表示面接匹配負(fù)載時(shí)，面上的電壓反射系數(shù)。</p><p><b>　　傳輸參量 </b></p&

44、gt;<p>　　用面上的電壓入射波和反射波來(lái)表示面上的電壓入射波和反射波，其網(wǎng)絡(luò)方程為</p><p><b>　?。?-27）</b></p><p><b>　　矩陣形式為 :</b></p><p><b>　　（2-28）</b></p><p>　　表

45、示表示面接匹配負(fù)載時(shí)，面至面的電壓傳輸系數(shù)的倒數(shù)，其余參量沒有直觀的物理意義。</p><p>　　2.4.2 端口微波網(wǎng)絡(luò)參量的性質(zhì)</p><p>　　一般情況下，二端口網(wǎng)絡(luò)的五種網(wǎng)絡(luò)參量均有四個(gè)獨(dú)立參量，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)具有某種特性(如對(duì)稱性或可逆性等)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立參量個(gè)數(shù)將會(huì)減少。 </p><p><b>　　可逆網(wǎng)絡(luò)</b></p&

46、gt;<p>　　如前所述，可逆網(wǎng)絡(luò)具有互易特性 </p><p><b>　?。?-29）</b></p><p>　　其它幾種網(wǎng)絡(luò)參量的互易特性為 </p><p><b>　　對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　一個(gè)對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)具有下列特性</p><p>

47、　　其它幾種網(wǎng)絡(luò)參量的對(duì)稱性為</p><p>　　由此可見，一個(gè)對(duì)稱二端口網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)參考面上的輸入阻抗、輸入導(dǎo)納以及電壓反射系數(shù)等參量一一對(duì)應(yīng)相等 </p><p><b>　　無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　利用復(fù)功率定理和矩陣運(yùn)算可以證明，一個(gè)無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣一定滿足“么正性”，即</p><p><

48、b>　　或?qū)懗?lt;/b></p><p><b>　　代入得</b></p><p><b>　?。?-30）</b></p><p>　　2.4.3 二端口微波網(wǎng)絡(luò)的工作特性參量</p><p>　　對(duì)于二端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，常用的工作特性參量有電壓傳輸系數(shù)T、插入衰減A、插入相移? 以

49、及輸入駐波比?。</p><p><b>　　電壓傳輸系數(shù)T</b></p><p>　　電壓傳輸系數(shù)T定義為：網(wǎng)絡(luò)輸出端接匹配負(fù)載時(shí)，輸出端參考面上的反射波電壓與輸入端參考面上的入射波電壓之比，即</p><p><b>　?。?-31）</b></p><p>　　T即為網(wǎng)絡(luò)散射參量，即<

50、/p><p>　　可逆二端口網(wǎng)絡(luò) </p><p><b>　　插入衰減A </b></p><p>　　插入衰減A定義為：網(wǎng)絡(luò)輸出端接匹配負(fù)載時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸入端的入射波功率Pi與負(fù)載吸收功率PL之比，即</p><p><b>　?。?-32）</b></p><p><

51、b>　　（2-33）</b></p><p>　　由此可見，插入衰減等于電壓傳輸系數(shù)平方的倒數(shù)。</p><p>　　對(duì)于可逆二端口網(wǎng)絡(luò)，則有</p><p><b>　　（2-34）</b></p><p><b>　　插入相移θ?</b></p><p>

52、;　　插入相移θ定義為：網(wǎng)絡(luò)輸出端接匹配負(fù)載時(shí)，輸出端的反射波對(duì)輸入端的入射波的相移。</p><p><b>　?。?-35）</b></p><p>　　因此根據(jù)定義，有 （2-36） </p><p>　　對(duì)于可逆網(wǎng)絡(luò) </p><p&

53、gt;<b>　　輸入駐波比? </b></p><p>　　輸入駐波比?定義為：網(wǎng)絡(luò)輸出端接匹配負(fù)載時(shí)，輸入端的駐波比。 </p><p><b>　?。?-37）</b></p><p>　　當(dāng)輸出端接匹配負(fù)載時(shí)，輸入端反射系數(shù)即為S11，所以有</p><p>　　或

54、（2-38）</p><p>　　對(duì)于可逆無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)，僅有反射衰減，因此插入衰減與輸入駐波比有下列關(guān)系 </p><p><b>　?。?-39）</b></p><p>　　2.5 smith圓圖</p><p>　　基本思想：特征參數(shù)歸一，以等反射系數(shù)圓為基底，套覆阻抗和導(dǎo)納圓圖。</p><p&g

55、t;　　包含：反射系數(shù)圓、等電阻(導(dǎo))圓、等電抗(導(dǎo))圓，討論特殊點(diǎn)、線、面和方向</p><p>　　2.5.1 反射系數(shù)圓</p><p><b>　　反射系數(shù)為</b></p><p><b>　?。?-40）</b></p><p><b>　　式中</b></p

56、><p>　　這是傳輸線終端負(fù)載處的反射系數(shù)</p><p>　　對(duì)于給定了終端負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線</p><p>　　圖 2-3 反射系數(shù)圓</p><p>　?。ńo定許多不同阻值的負(fù)載，就得到許多與之相對(duì)應(yīng)的，具有不同半徑和不同初相角的圓）</p><p>　　2.5.2 電阻圖與電抗圖</p><

57、;p><b>　　復(fù)數(shù)阻抗</b></p><p><b>　?。?-41）</b></p><p><b>　　歸一化的輸入阻抗z</b></p><p><b>　　（2-42）</b></p><p>　　r為歸一化電阻，x為歸一化電抗又

58、</p><p><b>　　可得</b></p><p><b>　?。?-43）</b></p><p><b>　　整理得</b></p><p><b>　?。?-44）</b></p><p>　　當(dāng)r為不同常數(shù)時(shí)，該式在

59、復(fù)數(shù)平面上表示一族圓，即為電阻圓。</p><p><b>　　圖2-4 電阻圓</b></p><p><b>　　同樣的可整理得</b></p><p><b>　?。?-45）</b></p><p>　　當(dāng)x（+x和-x）為不同常數(shù)時(shí)，該式在復(fù)平面上也表示一族圓，為電抗

60、圓。</p><p>　　圖2-5 單位圓上半部中的電抗曲線對(duì)應(yīng)于感性電抗（+jx）</p><p>　　下半部中的電抗曲線對(duì)應(yīng)于容性電抗（-jx）</p><p>　　特殊點(diǎn)、線、面的物理意義</p><p>　　匹配點(diǎn)：坐標(biāo)原點(diǎn)（0,0）處，</p><p>　　純電抗圓： 對(duì)應(yīng)傳輸線上位純駐波狀態(tài)。</p&

61、gt;<p>　　右半實(shí)軸上的點(diǎn)是電壓振幅值的腹點(diǎn)（電流的節(jié)點(diǎn)），該點(diǎn)的歸一化電阻r在數(shù)值上等于駐波比s。實(shí)軸的右端點(diǎn)（1,0）是開路點(diǎn)。</p><p>　　左半實(shí)軸上 的點(diǎn)是電壓振幅值的節(jié)點(diǎn)（電壓的腹點(diǎn)），該點(diǎn)歸一化的電阻r在數(shù)值上等于行波系數(shù)K（1/s）。實(shí)軸的左端點(diǎn)（-1,0）是短路點(diǎn)</p><p>　　2.5.3 求輸入導(dǎo)納</p><p>

62、;　　當(dāng)微波元件為并聯(lián)時(shí)，使用導(dǎo)納計(jì)算比較方便。求輸入導(dǎo)納值，可利用阻抗圓圖來(lái)求。根據(jù)阻抗變換，傳輸線上任意位置的歸一化輸入導(dǎo)納，在數(shù)值上與相隔 位置的歸一化輸入阻抗是相等的。</p><p>　　先在阻抗圓圖上找到與該位置的歸一化輸入阻抗相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，以該點(diǎn)至坐標(biāo)原點(diǎn)的連線為半徑畫圓，再將該點(diǎn)沿圓周旋轉(zhuǎn) ，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的r在數(shù)值上等于所求歸一化導(dǎo)納中的電導(dǎo)g，此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的x在數(shù)值上就等于所求歸一化納中的電納b。<

63、;/p><p>　　第三章 微波放大器的設(shè)計(jì)原理</p><p>　　3.1 單級(jí)晶體管的詳細(xì)模型</p><p>　　在設(shè)計(jì)放大器之前先要建立放大器模型，圖3-1是簡(jiǎn)單的放大器的模型，包括輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　圖3-1 單級(jí)放大器的模型</p><p>　　微波放大器與常規(guī)的低頻電路的設(shè)計(jì)方法完全不一樣

64、，它需要考慮一些特殊的因素。尤其是入射電壓波和入射電流波都必須與有源器件良好的匹配，以便降低電壓駐波比，避免寄生振蕩，正由于這個(gè)原因，穩(wěn)定性分析通常被作為射頻放大器工作的第一個(gè)步驟，穩(wěn)定性分析以及增益圓，噪聲系數(shù)圓都是放大器電路設(shè)計(jì)所必須的基本要素，然后根據(jù)這些要素才能設(shè)計(jì)出符合增益，增益平坦度，輸出功率等要求的放大器。</p><p>　　3.2 微波放大器的特性指標(biāo)</p><p>

65、　　一個(gè)放大器用以下關(guān)鍵參數(shù)來(lái)描述它的特性</p><p>　　增益平坦度（以dB表示）</p><p>　　工作頻率及寬帶（單位：Hz）</p><p>　　輸出功率（單位：dBm）</p><p>　　直流輸入功率（V和A）</p><p>　　輸入輸出反射系數(shù)（VSWR）</p><p>

66、　　6）噪聲系數(shù)（以dB表示） </p><p>　　3.3 微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管</p><p>　　微波晶體管的性能指標(biāo)與工作頻率有很密切的關(guān)系，一般來(lái)講晶體管有BJT何FET兩種。晶體管經(jīng)50年的發(fā)展得到一系列提高和改進(jìn)。其范圍從仍然流行的雙極結(jié)晶體管經(jīng)現(xiàn)代的GaA,場(chǎng)效應(yīng)管（GaAsFET）到最新式的高遷移率晶體管（HEMT）。</p><p>　　微波場(chǎng)效

67、應(yīng)管的工作原理與低頻場(chǎng)效應(yīng)管相同，它是一個(gè)電壓控制器件。由于它是以多數(shù)載流子在溝道中的漂流運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的，因而其工作頻率比微波雙極晶體管更高，對(duì)工作狀態(tài)變化的穩(wěn)定性以及噪聲性能等都比微波雙極晶體管要好。</p><p>　　微波FET可分為三大類：絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MESFET）。按柵級(jí)數(shù)目的不同，微波FET分為單柵微波FET和雙柵微波FET。在雙柵微波FET應(yīng)用中，再用一個(gè)柵極

68、對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)，可用另外一個(gè)柵極實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)增益控制。下面將以常用的單柵微波FET為例進(jìn)行分析。</p><p>　　圖3-2 微波FET的等效電路圖。</p><p>　　圖中各等效元件的符號(hào)的意義如下：</p><p>　　Cgs是柵源部分耗盡層結(jié)電容，通常為十幾分之微微法拉；</p><p>　　Cdg是柵漏部分耗盡層結(jié)電容，通

69、常為百幾分之微微法拉；</p><p>　　Cgs+Cdg是柵極與溝道這幾件耗盡層總電容；</p><p>　　Cds是漏極與源極之間的襯底電容，通常為百幾分之微微法拉；</p><p>　　Cdc是模擬導(dǎo)電溝道中點(diǎn)和偶極層的電容，通常為百幾分之微微法拉；</p><p>　　Ri是導(dǎo)電溝道中靠源端部分的溝道電阻，通常為幾百歐姆；</p

70、><p>　　Rds是漏極和源極之間的總溝道電阻，通常為幾百歐姆；</p><p>　　Rs是源極串聯(lián)電阻，它包括源極的體電阻，源極引線接觸電阻。通常為幾歐姆；</p><p>　　Rd是漏極串聯(lián)電阻，它包括漏極的體電阻，漏極引線接觸電阻。通常為幾歐姆；</p><p>　　Rg是柵極串聯(lián)電阻，它包括柵極的體電阻，柵極引線接觸電阻。通常為幾歐姆&

71、lt;/p><p>　　Ls，Lg和Ld分別是源極，柵極和漏極引線電感，通常為百分之幾毫微亨利；</p><p><b>　　FET的S參量</b></p><p>　　由于微波晶體管封裝在管殼內(nèi)，而管殼產(chǎn)生的射頻效應(yīng)對(duì)管子有產(chǎn)生了很大的影響，一個(gè)封裝的FET的等效電路是很復(fù)雜的，因此采用等效電路進(jìn)行器件性能的分析和電路設(shè)計(jì)很不方便，由于微波晶體管

72、在小信號(hào)作用下是線性器件，可以看做線性兩端口網(wǎng)絡(luò)，因此可用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來(lái)表示它的外部特性。雖然網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不涉及管芯和管殼的物理結(jié)構(gòu)，但是晶體管參數(shù)呈現(xiàn)的性質(zhì)及其變化規(guī)律是由管子內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)決定的，因而他們是等效的。</p><p>　　圖3-3 二端口微波網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　簡(jiǎn)單的說(shuō)，S參量表達(dá)的是功率波，它是我們可以用入射功率波和反射功率波的方式定義網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出關(guān)系，根據(jù)圖3-3我們

73、可以定義歸一化入射功率波和歸一化反射功率波，如下：</p><p>　　（3-1） </p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　在圖2-3所示的二端口微波網(wǎng)絡(luò)中，a1和b1分別為端口1的歸一化入射電壓波和反射電壓波；a2和b2分別為端口2的歸一化入射電壓波和反射電壓波。二端

74、口微波網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出之間的關(guān)系可以表示為 </p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　即 </p><p>　　其中

75、 （3-4）</p><p>　　式（3-3）稱做散射方程，[S]叫散射矩陣或散射參數(shù)。 </p><p>　　由式（3-3）可以得出二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)為： </p><p>　　|，即當(dāng)端口2匹配時(shí)（ZL=ZO），端口1的反射系數(shù)；</p><p>　　|，即當(dāng)端口1匹配時(shí)（ZS=ZO）

76、，端口2的反射系數(shù)；</p><p>　　|，即當(dāng)端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的傳輸系數(shù)； </p><p>　　|，即當(dāng)端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的傳輸系數(shù)。 </p><p>　　通過(guò)上面的分析我們可以看出，微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)具有確定的物理意義,[S]矩陣的各個(gè)參數(shù)是建立在端口接匹配負(fù)載基礎(chǔ)上的反射系數(shù)或傳輸系數(shù)，這樣利用網(wǎng)絡(luò)輸入輸出端口的參考面上接匹配負(fù)載即可

77、測(cè)得散色矩陣的各個(gè)參量。</p><p>　　圖 3-4 二端口微波網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　通常，我們可以從晶體管的廠家那里得到S參量，然后根據(jù)管子的S參量和已知的負(fù)載阻抗和源阻抗，就可求出晶體管的輸入和輸出反射系數(shù)，在這里結(jié)合圖3-3和圖3-4的二端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示晶體管接上信號(hào)源和負(fù)載，信號(hào)源內(nèi)阻表示為，負(fù)載表示為，從信號(hào)源到晶體管的輸入端的傳輸線和從負(fù)載到晶體管的輸出端的傳輸線的特性阻

78、抗都是。那么信號(hào)源和負(fù)載處的反射系數(shù)分別為：</p><p><b>　　和 </b></p><p>　　定義晶體管的輸入，輸出反射系數(shù)分別為和，就可以分別求出和。</p><p>　　（3-5） </p><p>　　3.4微波放大器的主要技術(shù)指標(biāo)</p><p&

79、gt;　　3.4.1 放大器的穩(wěn)定性</p><p>　　在放大器的設(shè)計(jì)中，最重要的一個(gè)方面是穩(wěn)定性問題。放大器有內(nèi)反饋，可能造成放大器不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)的不合理可能會(huì)使一個(gè)放大器變成振蕩器。功率放大器的不穩(wěn)定性導(dǎo)致不希望有的寄生振蕩，使輸出信號(hào)失真，甚至燒毀功率管。因此，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)，一定要分析放大器是無(wú)條件穩(wěn)定還是潛在不穩(wěn)定。</p><p>　　放大器達(dá)到無(wú)條件穩(wěn)定的充分必要條件是<

80、;/p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　當(dāng)放大器達(dá)到無(wú)條件穩(wěn)定時(shí)，其轉(zhuǎn)換功率增益為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式中，PL為傳輸給負(fù)載的平均

81、功率；Pa為信號(hào)源輸出的資用功率；和分別為信號(hào)源和負(fù)載的反射系數(shù)。</p><p>　　當(dāng)信號(hào)源與負(fù)載同時(shí)共軛匹配時(shí)，匹配信號(hào)源和匹配負(fù)載的反射系數(shù)為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　（3-10）</b></p><p><b>　　式中，&l

82、t;/b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　當(dāng)Bj>0時(shí)取負(fù)號(hào)，當(dāng)Bj<0 (j=1,2)時(shí)取正號(hào)。由此可求得匹配信號(hào)源和匹配負(fù)載阻抗：</p><p>　　放大器共軛匹配時(shí)，微波晶體管的輸入輸出阻抗分別為和。</p><p>　　當(dāng)存在不穩(wěn)定區(qū)時(shí)，設(shè)計(jì)放大器可有兩種方法：&

83、lt;/p><p>　?。?）避開并遠(yuǎn)離不穩(wěn)定區(qū)，仍能使輸入端口（或輸出端口）穩(wěn)定；</p><p>　?。?）如果不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的某值使，但只要在輸入端口所接能滿足，則仍然可以使之穩(wěn)定。同理，如果不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)某使，但如果能滿足，則電路仍然不會(huì)起振。如圖3-1所示,給出了一般的單級(jí)功率放大器結(jié)構(gòu)圖和參數(shù)定義，通過(guò)S參數(shù)可以判定功率放大器的穩(wěn)定性。其物理實(shí)質(zhì)是端接負(fù)載Zs中的正阻成分只要大于端口輸入阻

84、抗Zin中的負(fù)阻成分，則電路不會(huì)起振。</p><p>　　圖3-5 潛在不穩(wěn)定情況下的設(shè)計(jì)</p><p>　　以上兩種辦法一般取第（1）種。這兩種辦法雖能使放大器仍能穩(wěn)定工作，但包含著不穩(wěn)定因素。如果端接負(fù)載有所變化，可能就會(huì)發(fā)生振蕩，因此稱為有條件穩(wěn)定或潛在不穩(wěn)定。</p><p>　　由于晶體管輸入、輸出端互有影響，因此設(shè)計(jì)時(shí)要保證在、兩個(gè)平面上同時(shí)都避開不

85、穩(wěn)定區(qū)。在具體設(shè)計(jì)步驟中如果先避開輸出平面上的不穩(wěn)定區(qū)，根據(jù)指標(biāo)要求選擇了某個(gè)值，而與有關(guān)，因此根據(jù)輸入端口匹配要求選擇的將與有關(guān)。必須檢驗(yàn)該值是否也避開了輸入平面上的不穩(wěn)定區(qū)。如果設(shè)計(jì)步驟先選擇，情況類似。</p><p>　　3.4.2 噪聲系數(shù)圓</p><p>　　穩(wěn)定性保證后，噪聲系數(shù)也是放大器設(shè)計(jì)任務(wù)的一個(gè)重要考慮內(nèi)容。微波晶體管的噪聲系數(shù)可用下式進(jìn)行表述</p>

86、<p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中是晶體管的最小噪聲系數(shù)，是獲得時(shí)的源反射系數(shù)，是晶體管的等噪聲電阻。是任意的源反射系數(shù)。F對(duì)應(yīng)于這個(gè)源反射系數(shù)的晶體管的噪聲系數(shù)。在（3-11）中，，，為已知數(shù)，一般情況下可以通過(guò)調(diào)整來(lái)改變?cè)肼曄禂?shù)。</p><p>　　為了將特定的噪聲系數(shù)與聯(lián)系起來(lái)，將（3-11）改寫成</p>

87、;<p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　等式的右側(cè)已經(jīng)具有圓方程的形式。引入常數(shù)為：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　并重新整理（3-15）式</p><p><b>　?。?-14）</b></

88、p><p>　　根據(jù)以上各式可以得出：當(dāng)時(shí)，可以達(dá)到最小噪聲系數(shù)。所有等噪聲系數(shù)圓的圓心都落在遠(yuǎn)點(diǎn)與的連線上。噪聲系數(shù)越大，則圓心距離遠(yuǎn)點(diǎn)越近而且圓半徑越大。</p><p>　　3.4.3 放大器的功率增益分析</p><p>　　在微波晶體管放大器的分析和設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同的目的和要求，常常到轉(zhuǎn)換功率增益，功率增益。下面就分析如何用微波晶體管的S參數(shù)來(lái)分別表示這些功率

89、增益。</p><p>　　轉(zhuǎn)換功率增益，就是插入在信號(hào)源與負(fù)載之間的放大器的增益：</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　功率增益，是負(fù)載吸收功率與放大器輸入功率的比值：</p><p><b>　　（3-16）</b></p><p>　　

90、參照?qǐng)D2-3，可把圖2-3中的S參量部分的方框看做FET的S參數(shù)，對(duì)放大器進(jìn)行分析，可知負(fù)載吸收的功率為：</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　信源的資用功率為： （3-18）</p><p>　　由此可以得到放大器的轉(zhuǎn)化功率增益</p&

91、gt;<p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　又因?yàn)?</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　　（3-21）<

92、/b></p><p>　　對(duì)上式聯(lián)立求解，可得：</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　當(dāng)滿足絕對(duì)穩(wěn)定（3-9）式時(shí)，均為正。式（3-25）中的根號(hào)取負(fù)號(hào)。當(dāng)晶體管的穩(wěn)定性是有條件穩(wěn)定時(shí)，不能用輸入輸出同時(shí)共軛匹配的方

93、法設(shè)計(jì)，而應(yīng)該先做出穩(wěn)定圓，確定穩(wěn)定區(qū)，然后用等功率增益圓設(shè)計(jì)。</p><p>　　為了單獨(dú)分析和的影響，采用功率增益進(jìn)行分析，功率增益的定義如式（3-19），表示式是</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p><b&

94、gt;　　（3-24）</b></p><p>　　令g0為常數(shù)，它代表的是平面上的一個(gè)圓，其圓心和半徑分別是：</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　式中k為（3-9）式的穩(wěn)定因子,。給定功率增益G的值，用式（3-27）計(jì)算出g0，然后按式（3-28）的圓心位置和半徑在Smith圓上作圓，就可得出平

95、面上的等G圓，凡此圓上的都可獲得相同的G值。</p><p>　　3.5 微波放大器的匹配設(shè)計(jì)</p><p>　　微波放大器與常規(guī)的低頻電路的設(shè)計(jì)方法完全不一樣，它需要考慮一些特殊的因素。尤其是入射電壓波和入射電流波都必須與有源器件良好的匹配，以便降低電壓駐波比，避免寄生振蕩，正由于這個(gè)原因，穩(wěn)定性分析通常被作為射頻放大器工作的第一個(gè)步驟，穩(wěn)定性分析以及增益圓，噪聲系數(shù)圓都是放大器電路

96、設(shè)計(jì)所必須的基本要素，然后根據(jù)這些要素才能設(shè)計(jì)出符合增益，增益平坦度，輸出功率等要求的放大器。</p><p>　　用Smith圓圖進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)</p><p>　　在微波電路里Smith圓圖得到廣泛的應(yīng)用，用它可以對(duì)電路阻抗的分析，匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)及噪聲系數(shù)，增益，環(huán)路穩(wěn)定性，駐波比等。Smith圓圖由反射系數(shù)圓族，等電阻圓族，等電抗圓族，反射系數(shù)和駐波系數(shù)在圓圖上也有一一對(duì)應(yīng)。&l

97、t;/p><p>　　在微波電路設(shè)計(jì)中，匹配網(wǎng)絡(luò)是很重要的，直接關(guān)系到減小功率損耗，減少噪聲干擾，提高功率容量和提高頻率響應(yīng)的線性度等。工程設(shè)計(jì)所追求的兩個(gè)主要目標(biāo)盤：第一是滿足系統(tǒng)要求，第二是采用最低的成本和最可靠的方法實(shí)現(xiàn)第一目標(biāo)。成本低且可靠性高的匹配網(wǎng)絡(luò)往往就是那些元件數(shù)目少的網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)匹配設(shè)計(jì)中有兩種方法可供選擇。</p><p><b>　　采用解析方法求解</b

98、></p><p>　　利用Smith圓圖作為圖解工具</p><p>　　這里我們介紹第二種，Smith圓圖用于快速并相對(duì)精確的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)。在這種方法的好處在于，其復(fù)雜程度幾乎與匹配網(wǎng)絡(luò)的元件數(shù)目無(wú)關(guān)。此外，通過(guò)觀察阻抗在Smith圓圖上的變換過(guò)程，我們能體會(huì)到每一個(gè)電路元件對(duì)實(shí)現(xiàn)特定匹配狀態(tài)的貢獻(xiàn)，而且元件類型和元件參數(shù)方面的任何錯(cuò)誤都能立即在Smith圓圖上反映出來(lái)，從而使設(shè)計(jì)能

99、進(jìn)行很直觀的調(diào)整。</p><p>　　下面舉例說(shuō)明Smith圓圖進(jìn)行阻抗匹配，即把下圖的Zt匹配到的Zin過(guò)程。</p><p>　　圖3-6 匹配電路示意圖</p><p>　　對(duì)Zt并聯(lián)一電容C，并聯(lián)后的總阻抗Ztc就與Zt落在同一等電導(dǎo)圓上，如圖 所示，然后再將一個(gè)電感串聯(lián)在與Zt并聯(lián)后的總阻抗上，則最終的串聯(lián)阻抗沿著等電阻圓移動(dòng)到期望的阻抗Zin處。 &l

100、t;/p><p>　　圖3-7 阻抗—導(dǎo)納負(fù)荷Smith圓圖上的雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)</p><p>　　一般來(lái)講，小信號(hào)微波晶體管放大器設(shè)計(jì)步驟，可以按以下步驟來(lái)設(shè)計(jì)</p><p>　　選擇適當(dāng)?shù)木w管和電路形式</p><p><b>　　測(cè)量晶體管的S參數(shù)</b></p><p><b&g

101、t;　　判斷穩(wěn)定性</b></p><p>　　設(shè)計(jì)輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　單向化設(shè)計(jì)：等增益設(shè)計(jì) 、 最大增益法</p><p>　　非單向化雙共軛匹配設(shè)計(jì)</p><p>　　輸入端良好匹配——功率增益圓</p><p>　　輸出端良好匹配——資用功率增益圓</p><

102、;p><b>　　噪聲系數(shù)圓</b></p><p><b>　　等駐波比圓</b></p><p>　　第四章 軟件 AWR Microwave Office介紹 </p><p>　　隨著微波、射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜化、電路指標(biāo)的要求的日益提高、電路功能的日益強(qiáng)大、電路尺寸的減小以及設(shè)計(jì)周期的持續(xù)縮短，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

103、已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足微波電路的設(shè)計(jì)需求。人們逐漸用微波、射頻EDA軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方式。各種微波元器件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件在射頻領(lǐng)域主要有Agilent公司的ADS軟件、Ansoft公司的HFSS、Designer軟件等。也有諸如Microwave Office（MO）軟件、Ansoft Serenade軟件、CTS軟件、Zeland軟件、XFDTD軟件、Sonnet軟件等軟件。</p><p>　　Microwa

104、ve Office軟件是AWR公司發(fā)行的通過(guò)模擬器進(jìn)行模擬和仿真的微波電路平面設(shè)計(jì)軟件。該設(shè)計(jì)套件提供了業(yè)界最強(qiáng)大、最靈活的射頻/微波設(shè)計(jì)環(huán)境。該套件可對(duì)所有微波/射頻相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，包括單片微波集成電路（MMIC）、低溫共燒陶瓷（LTCC）、混合微波集成電路（MIC）、射頻集成芯片（RFIC）、多層印制電路板（PCB）、混合信號(hào)或高速數(shù)字信號(hào)的SI 分析。Microwave Office軟件有很直觀的用戶界面。是進(jìn)行微波電路的

105、理論研究和工程應(yīng)用的強(qiáng)有力工具，在通信、電子、航天等領(lǐng)域的各大研究所、公司有廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　該套件基于統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了精度和速度的最優(yōu)化，并提供前所未有的開放性和交互性，不僅易于使用，還能在設(shè)計(jì)過(guò)程的各個(gè)階段整合業(yè)界一流的工具。該套件提供全面的微波/射頻設(shè)計(jì)和分析功能，擁有先進(jìn)的仿真技術(shù)，強(qiáng)大的自動(dòng)電路提取技術(shù)，整合多種仿真工具，具有方便的參掃優(yōu)化調(diào)諧功能。Microwave Office

106、 旨在幫助設(shè)計(jì)人員提高效率，縮短設(shè)計(jì)周期，并加速射頻/微波產(chǎn)品上市。</p><p><b>　　4.1 軟件的組成</b></p><p>　　Microwave Office（MWO）</p><p>　　用于線性、非線性、單片微波集成電路（MMIC）等微波電路設(shè)計(jì)</p><p>　　Visual system

107、simulator（VSS）</p><p>　　是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)完整通信系統(tǒng)仿真工具</p><p>　　Analog Office（ANO）</p><p>　　主要用于模擬電路和RFIC的設(shè)計(jì)與開發(fā)</p><p>　　Microwave Office 軟件是通過(guò)兩個(gè)模擬器來(lái)對(duì)微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。 對(duì)于由集總元件構(gòu)成的電路, 用電路的

108、方法來(lái)處理較為簡(jiǎn)便。 該軟件設(shè)有一個(gè)叫”VoltaireXL”的模擬器來(lái)處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問題。 而對(duì)于由具體的微帶幾何圖形構(gòu)成的分布參數(shù)微波平面電路則采用場(chǎng)的方法較為有效,該軟件采用的是一個(gè)叫”EMSight”的模擬器來(lái)處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)的問題。</p><p>　　”VoltaireXL”模擬器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)威力強(qiáng)大的諧波平衡和Volterra模擬引擎,它采用單 頻和多頻諧波平衡Vol

109、terra級(jí)數(shù)來(lái)進(jìn)行非線性電路的模擬, 混頻器分析, 高速線性電路分析,高速噪聲分析。 它處理難度較大的微波電路問題的速度和精度優(yōu)于其它品種的模擬器。 實(shí)際上Volterra級(jí)數(shù)分析法要比普通的多頻諧波平衡法快10~100倍, 是分析近線性電路的交調(diào)的最快方法。 據(jù)稱它是近十年來(lái)出現(xiàn)的最激動(dòng)人心的電路模擬器。 模擬器內(nèi)設(shè)一個(gè)元件庫(kù), 在建立電路模型時(shí), 可以很方便地調(diào)出微波電路所用的一切 元件,其中無(wú)源器件有電感,電阻,電容, 諧振電路

110、, 微帶線, 帶狀線, 同軸線等等, 非線性器件有雙極晶體管,場(chǎng)效應(yīng)晶體管,二極管等等。 特別是該元件庫(kù)收集了國(guó)際上三十余家家著名公司的微波有源器件和參數(shù), 對(duì)于電路設(shè)計(jì)和計(jì)算非常有用。 值得提出的是”VoltaireXL”模擬器具有實(shí)時(shí)調(diào)諧功能。 在設(shè)計(jì)計(jì)算中, 經(jīng)常需要調(diào)整電路的某些元件的參數(shù), 以求獲得最佳性能。 這個(gè)模擬器與其它軟件不同之處在于它調(diào)整電路元件的參數(shù)并不需要重新從頭開始計(jì)算, 而是打開一個(gè)叫做“可變調(diào)諧器”

111、</p><p>　　”EMSight”模擬器是一個(gè)完整的三維電磁場(chǎng)模擬程序包, 它可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。 方法的特點(diǎn)是把一種威力強(qiáng)大的修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面(GUI)技術(shù)結(jié)合起來(lái)。 該模擬器可以精確地確定平面結(jié)構(gòu)的等效多端口網(wǎng)絡(luò)散射參量。 ”EMSight”模擬器除了能進(jìn)行常用的點(diǎn)頻逐點(diǎn)計(jì)算之外,還安裝了快速掃頻(FFS)算法。 所以這種模擬器計(jì)算三維電磁場(chǎng)的精度與其它在工業(yè)上常用

112、的方法相同, 而計(jì)算速度卻快得多。 它可以分析下列電路的電氣特性: 射頻集成電路 (RFIC), 微波單片集成電路(MMIC), 微帶貼片天線和高速印制電路(PCB)。 ”EMSight”模擬器分析的電路都安裝在一個(gè)矩形的金屬包裝盒內(nèi), 對(duì)于電路的層數(shù)和端口數(shù)并沒有限制。 分析時(shí)模擬器自動(dòng)地對(duì)所計(jì)算的對(duì)象進(jìn)行分割, 在電流密度變化大的地方, 網(wǎng)格分得細(xì), 即單元尺寸取得小。 而在電流密度變化小的地方,單元尺寸取得大。 用戶也可以

113、根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)網(wǎng)格密度。 ”EMSight”模擬器還具有顯示微波平面電路內(nèi)金屬上電流和空間電場(chǎng)力線的能力。 電流或電場(chǎng)均可以以三維或二維的形式來(lái)顯示,箭頭表</p><p>　　4.2 軟件設(shè)計(jì)環(huán)境</p><p>　　圖4-1 軟件設(shè)計(jì)環(huán)境</p><p>　　4.2.1 主菜單與工具條</p><p>　　如圖4-1所示：&#

114、1048766;主菜單在軟件主窗口的頂部，包括File，Edit、Project等下拉菜單。􀂾工具條在主菜單的下一行，是一些常用選項(xiàng)，將鼠標(biāo)放在任意圖標(biāo)上，會(huì)顯示該按鈕的說(shuō)明。􀂾主窗口的左側(cè)為瀏覽頁(yè)，左側(cè)底部是各瀏覽頁(yè)的標(biāo)簽，共三種，點(diǎn)擊標(biāo)簽即打開相應(yīng)瀏覽頁(yè)。右側(cè)空白窗口為繪圖工作區(qū)。</p><p>　　4.2.2 Proj（工程瀏覽頁(yè)）</p><p&g

115、t;　　點(diǎn)擊主窗口左下部的“Proj”標(biāo)簽即可激活工程瀏覽頁(yè)，包括工程的全部選項(xiàng)，為分層結(jié)構(gòu)，如圖4-2所示。</p><p>　　圖 4-2 Proj（工程瀏覽頁(yè)）</p><p>　　4.2.3 Elem（元件瀏覽頁(yè)）</p><p>　　單擊主窗口左下部的“Elem”標(biāo)簽即可激活元件瀏覽頁(yè)。分上、下兩部分。</p><p>　　上半部分

116、是垂直排列、可展開的元器件總表，類似于窗口瀏覽器；各種元件分類排列，包括線性元件、非線性元件；下半部分是具體的元件模型；繪制原理圖時(shí)，首先在元件瀏覽頁(yè)上半部分選擇元件類別，然后在下半部分選擇具體的元件模型，向右側(cè)繪圖區(qū)拖放，就可以給原理圖添加元件。</p><p>　　4.2.4 Layout（布線瀏覽頁(yè)）</p><p>　　單擊主窗口左下方的“Layout”標(biāo)簽即可激活布線瀏覽頁(yè)。布線

117、瀏覽頁(yè)分上、下兩部分。</p><p>　　布線瀏覽頁(yè)的上半部分包括：</p><p>　　Layer Setup：雙擊Layer Setup項(xiàng)可打開一個(gè)對(duì)話窗（Layer Setup對(duì)話窗），進(jìn)行繪圖層的編輯，包括布線窗中所有與繪圖相關(guān)的功能。此外，右鍵點(diǎn)擊該項(xiàng)可選擇導(dǎo)入處理定義文件（*.lpf）。</p><p>　　Layout Options：雙擊該項(xiàng)可打開

118、一個(gè)對(duì)話窗，對(duì)布線的相關(guān)選項(xiàng)進(jìn)行編輯。</p><p>　　Cell Libraries：可生成、導(dǎo)入布線元件。元件庫(kù)可按GDSⅡ或DXF格式輸入。新元件可在繪圖編輯器中生成，并在此激活。布線瀏覽頁(yè)的下半部分是Draw Layers頁(yè)，包括能在布線窗中激活并瀏覽各層的各種控制選項(xiàng)。</p><p>　　4.3 軟件的基本操作</p><p>　　4.3.1 工程部分

119、</p><p>　　本軟件的工程用來(lái)形成原理圖和電磁結(jié)構(gòu)圖，以便進(jìn)行仿真及分析。</p><p>　　創(chuàng)建及保存新工程：從主菜單中選擇File\New Project，創(chuàng)建一個(gè)新工程；再選File\Save Project As，則以新名稱保存該工程。本軟件工程是以*.emp文件保存。軟件一次只能載入一個(gè)工程。</p><p>　　設(shè)置工程單位：從主菜單中選擇Op

120、tions\Project Options，選擇Global Units頁(yè)，通過(guò)增加或減小默認(rèn)設(shè)計(jì)單位來(lái)編輯工程的全局默認(rèn)單位。</p><p>　　設(shè)置工程單位：從主菜單中選擇Options\Project Options，選擇Global Units頁(yè)，通過(guò)增加或減小默認(rèn)設(shè)計(jì)單位來(lái)編輯工程的全局默認(rèn)單位。</p><p>　　圖 4-3 設(shè)置工程單位界面</p><

121、p>　　4.3.2 原理圖部分</p><p>　　工程瀏覽頁(yè)中的Circuit Schematics組包括兩種文件：Schematic和Netlist。</p><p>　　Schematic：電路原理圖。工程的每個(gè)原理圖在Circuit Schematics組里都有相應(yīng)的原理圖項(xiàng)。</p><p>　　Netlist：網(wǎng)表圖，將電路圖以網(wǎng)表形式用文字描述。