微波电子线路大作业教材

1、微波电子线路大作业第一部分1-1 噪声系数定义 一、表征单口网络噪声 (噪声源 )的参数1. 热噪声功率， 1928 年，尼奎斯特在热力学统计理论分析和实 验研究的基础上，导出电阻热噪声电压均方值的表达式U n2 4kTRB (.1-1) 式中， k=1.389-23(J/K)为玻耳兹曼常数； T 为电阻温度 (K) ；R为 电阻值 ()；B 为测试设备的通频带 (Hz) 。这就是尼奎斯特定理。 Un2表示在带宽 B内，处于热力学温度 T 的电阻 R所产生的热噪 声开路电压均方值。 若用等效源表示， 可将一个热噪声电阻用等 效为一个无噪声电阻 R 与一个噪声电压源 Un2 串联而成的等效电 压

2、源；或等效为一个无噪声电导 G 与一个噪声电流源 In2 并联组 成的等效电流源， In2 Un2/R2 4kTGB 。当几个电阻串联时，采用 等效电压源较方便；并联时，采用等效电流源较方便。当接入负载电阻 RL=R时，温度为 T 的电阻 R，在带宽 B内产生的资用噪声功率是kTB2(2R)2(.1-2)U n2热噪声是一种随机过程， 通过傅里叶分析知， 其频率分量是 连续、均匀的频谱分布，称为白噪声。由式 (.1-2) 得出资用热噪 声功率的谱密度为Wn kT (W/Hz) (.1-3) 上式表明，电阻输出的单位带宽资用噪声功率只与热力学温度 (K)二、表征双口网络 (放大器、混频器等 )噪

3、声的参数RiNeRe图 .1-1 双口网络的噪声等效电路1. 等效输入噪声温度：一个实际双端口网络 (线性或准线性 )，设 网络增益为 G，其输出端产生的总噪声功率 Nout 应为网络输入端 电阻 Ri 产生的噪声功率 Ni和网络内部噪声功率在输出端的贡献 之和。将实际网络用理想网络代替， 把网络内部噪声折合到输入 端，用等效输入噪声功率 Ne 和等效输入电阻 Re 来表示。则 Ne 通过理想网络传输到输出端所贡献的噪声功率， 将与网络内部噪 声功率在输出端的贡献相等。如图 .1-1 所示。 由此得出N out G(N i N e) Gk (Ti Te)B GkTi B GkT (.1-7)

4、由上式求出实际网络的等效输入噪声温度为TNoutTTeGkB Ti(.1-8)式中 Ti 为网络输入端电阻 (或等效输入电阻 )的噪声温度。由式 (9.1-3)知，如果知道一个网络的等效输入噪声温度，则它的输出 噪声功率谱密度为已知，即 Weout GkTe 。2. 噪声系数：定义为当规定输入端温度处于T0=290K 时，网络输入端资用信号 -噪声功率比 (Si/Ni)与输出端资用信号 -噪声功率 比(Sout/Nout)之比值。其表达式为Si /NiSout /NoutSiNoutNoutNoutSout NiGNiGkTi B(.1-9) 由式 (.1-7)得FG(Ni Ne)/(GNi

5、) 1 Ne / Ni 或Ne (F 1)Ni(.1-10)令式(.1-7)中 Ti=T0，代入(.1-9)得T0 TeT0T0或用 dB 表示F(dB) 10lg(1 Te /T0) 正比，与电阻的类型和阻值无关。三、级联网络的噪声系数前面已得到，网络的输出噪声功率为(.1-11)Nout G(Ni Ne) GNi(F 1)Ni G kTi BkTiGB (F 1)kTiGB FGkTi B(.1-12) 可见输出噪声功率包括两部分，其一为网络输入端的噪声功率 Ni 经网络放大产生的输出噪声功率； 其二是网络的内部噪声折合 到输入端的噪声功率 (F-1)Ni 经网络放大产生的输出噪声功率 G

6、(F-1)Ni。当两个网络级联时， 设第一、 第二个网络的噪声系数和增益 分别是 F1、G1和 F2、G2，总噪声系数和总增益分别用 Ft和 Gt， 则 Gt=G1G2。由式 (.1-12)知，第一级网络的输出噪声功率为 F1G1kTiB，可看作第二级网络的输入噪声功率。经第二级网络放大后变成G2(F2-1)kTiB，所以两级G2(F1G1kTiB)。第二级网络的内部噪声折合到输入端的噪声功率 为(F2-1)kTiB，经第二级网络放大后变成 网络的总噪声功率为NoutF1G1G2kTi B(F21)G2kTiB Ft Gt kTi B所以Ft F1F2 1对于 n 个级联网络，G1有(.1-1

7、3)FtF1F2 1G1F3 1G1G2Fn 1G1G2 Gn 1(.1-14a)Te2G1Te3G1G2TenG1G2 Gn 1 (.1-14b) 总噪声主要来 并提高其增益。可见，对于级联网络，如果第一级有足够的增益， 源于第一级的贡献， 故应设法减小第一级的噪声， 2 噪声系数的测量方法测量网络噪声系数的基本电路如图 9.2-1 所示。图中噪声发 生器有“点燃” (热态 T2)与“熄灭” (冷态 T1)两个状态。前者为 噪声功率输出状态， 后者为将待测网络的输入端接到冷态噪声发 生器的状态。 图中的检测指示器为匹配功率计或匹配平方律检波 器。.2-1 Y 系数冷态相当于将待测网络接在温度

8、为 T1(室温 )的输入匹配网络 上。设此时测出的噪声功率为 Nout1。由式 (.1-7)知Nout1 Gk(T1 Te )B(.2-1)热态相当于将待测网络接在温度为T2(噪声发生器的等效噪声温度 )的输入匹配网络上，设此时测出的噪声功率为Nout2。则Nout2 Gk(T2 Te)B设 Nout2 与 Nout1 之比为 Y，即Y Nout2 / Nout1(.2-2)(T2 Te ) /(T1 Te)(.2-3) 根据 Y 值可求出待测网络的等效噪声温度和噪声系数， 这样测量 噪声的方法称为 Y 系数法。由式(.2-3)可得等效输入噪声温度为Te噪声系数为T2 YT1Y1(.2-4)F

9、1Te1 T2 YT11 (Y 1)T0(T2 /T0 1) Y(T1 /T0 1)T0Y1T211Y(T1 T0)(Y 1) ENRY11 Y(T11 T2T0)T0T2 T0T0(.2-5a)用 dB 表示有F(dB) 10lgF ENR(dB) 10lg(Y 1)(.2-5b)其中 是室温 T1 不等于标准噪声温度T0 时的修正量，若 T1=T0，则 =0 。上式变为F(dB) 10lg F ENR(dB) 10 lg(Y 1) (.2-6) 式(.2-5) 和(.2-6) 称为 Y 系数方程。冷态 T1T1T2图 .2-1 噪声测量基本电路2 测量方法与误差噪声系数测量的基本方法是 Y

10、 系数法。在具体测试中， 按 Y 的取值不同分为直接比较法 (任意倍数功率法 )、等功率指示法和 3dB 法 (Y=2，或称功率倍增法，也称二倍功率法 )。下面分述之。 一、直接比较法用直接法测定噪声系数时， Y 系数可以取任意值。测量方法 是，分别测出热、冷两态的噪声功率比值 Y(Y 任意)，代入 Y 系 数方程式 (9.2-5b)或式 (9.2-6)求出噪声系数 F。式中的 是当测试 时室温偏离 290K 时的修正值，一般可忽略不计。例如， ENR=18dB ， Y=9， T1=300K 时， 仅约为 -0.03dB。按图.2-1 的测量线路，设(1)在检测带宽内，待测网络为线性， 它的资

11、用功率增益 Ga 和等效输入噪声温度 Te为常数，且为单值 响应。(2)功率计在检测带宽内为线性功率响应， 无噪声，无反射。 (3)噪声发生器的 T2、 T1 为已知常数，冷、热两态时的源阻抗与 待测网络匹配，则直接法的工作方程即为式 (.2-4) 和(.2-5)。由式(.2-4)和(.2-5)求偏微分得等效噪声温度和噪声系数的测量误差方程分别为：TeT1 T2 Y (Y 1)2 Y(.2-7)ENR 4.34 Y 4.34Y11 T2 YY 1在导出式 (.2-8)时考虑了使用直接法应注意，于均方噪声功率的分量，其次，由于宽带噪声信号动态范围很大，T1T2 T0 1 (.2-8) ln x/

12、ln10 0.434 ln x。lg x 由于噪声谱中含有在短周期内幅度远大 所以，必须严格保持待测接收机不过载。检波规律的校准很困难，采用标准正弦信号校准检波器的检波律与采用噪声功率校准也不尽相同，而且当 Y值太大时， 待测设备有可能因限幅而产生噪 声，这时应选用下述的衰减等功率指示法。2-2 增益二端口功率增益的定义功率增益S21 2 (1L22)122S22 L (1in2)PLPinS2122(12可用增益GAPAVNS)PAVS1S11S 2(1out22)变换功率增益GTPLS21 2 (122)(1PAVS1 S22 LLS in 23-3 BJT双极结型晶体管（ Bipolar

13、 Junction Transistor BJT ）又称为半 导体三极管，它是通过一定的工艺将两个 PN 结结合在一起的器件， 有 PNP 和 NPN 两种组合结构；外部引出三个极：集电极，发射极 和基极，集电极从集电区引出，发射极从发射区引出，基极从基区引 出（基区在中间）；BJT 有放大作用，重要依靠它的发射极电流能够 通过基区传输到达集电区而实现的， 为了保证这一传输过程， 一方面 要满足内部条件， 即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度， 同 时基区厚度要很小， 另一方面要满足外部条件， 即发射结要正向偏置 （加正向电压）、集电结要反偏置； BJT 种类很多，按照频率分，有 高频管，

14、低频管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半导体材 料分，有硅管和锗管等；其构成的放大电路形式有：共发射极、共基 极和共集电极放大电路。4-4FET场效应晶体管（ Field Effect Transistor 缩写（FET） ）简称场效应 管。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制 型半导体器件。 根据三极管的原理开发出的新一代放大元件， 有 3 个 极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化 硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件。特点具有输入电阻高 （108109）、噪声小、功耗低、动态范围大、 易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点

15、，现已成为双 极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者 .作用场效应管可应用于放大电路，由于场效应管放大器的输入阻抗很 高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器 .场效应管还可以用作电子开关 .场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换 . 常用于多级放大 器的输入级作阻抗变换 .场效应管可以用作可变电阻 .场效应管可以方 便地用作恒流源 .分类信息按结构场效应管分为：结型场效应（简称 JFET ）、绝缘栅场效应 （简称 MOSFET ）两大类按沟道材料：结型和绝缘栅型各分 N 沟道和 P 沟道两种 .按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘 栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强

16、型的。场效应晶体管可分为结场效应晶体管和 MOS 场效应晶体管，而 MOS 场效应晶体管又分为 N 沟耗尽型和增强型； P 沟耗尽型和增强 型四大类 .见下图 :主要参数Idss 饱和漏源电流 .是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅 极电压 UGS=0 时的漏源电流 .Up 夹断电压 .是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中， 使漏源间 刚截止时的栅极电压 .Ut 开启电压 .是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时 的栅极电压 .gM 跨导 .是表示栅源电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制能 力，即漏极电流 ID 变化量与栅源电压 UGS 变化量的比值 .gM 是衡 量场效应管放大能力的重要参

17、数 .BVDS 漏源击穿电压 .是指栅源电压 UGS 一定时，场效应管正 常工作所能承受的最大漏源电压 .这是一项极限参数，加在场效应管 上的工作电压必须小于 BVDS.PDSM 最大耗散功率，也是一项极限参数，是指场效应管性 能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率 .使用时，场效应管实际功耗 应小于 PDSM 并留有一定余量 .IDSM 最大漏源电流 .是一项极限参数，是指场效应管正常工作 时，漏源间所允许通过的最大电流 . 场效应管的工作电流不应超过 IDSM管脚识别判定栅极 G ：将万用表拨至 R1k 档，用万用表的负极任意接一 电极，另一只表笔依次去接触其余的两个极，测其电阻 . 若两次测得 的电阻值近似相等， 则负表笔所接触的为栅极， 另外两电极为漏极和 源极 .漏极和源极互换，若两次测出的电阻都很大，则为 N 沟道；若 两次测得的阻值都很小，则为 P 沟道。判定源极 S、漏极 D：在源 -漏之间有一个 PN 结，因此根据 PN 结正、反向电阻存在差 异，可识别 S 极与 D 极。用交换表笔法测两次电阻，其中电阻值较 低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻，此时黑表笔的是 S 极，红表笔接 D 极。比较场效应管是电压控制元件 ,而晶体管是电流控制元件 .在只允许从信号源取较少电流的