07微波低噪声放大器设计与测量

1、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、实验设备项次设备名称数量备注1扫频信号源、示波器1套亦可用标量网络分析仪2放大器模块1组 350 BNC及1M BNC 连接线4条4交流电源连接线1条 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

2、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。L = OUT *二端口有源电路输出匹配电路 输入匹配电路SIN = S11LGOS = IN*GS GL OUT = S22R SR L图13-1 放大器电路方框图（一） 单边放大器设计（Unilateral Amplifier

3、 Design）所谓单边设计即是忽略有源器件S参数中的S12，即是S12=0。此时可得：IN = S11 及 OUT = S22则放大器之单边转换增益(Unilateral Transducer Gain,GTU)为： 其中 假若电路又符合下列匹配条件：S = S11* 及 L = S22*则可得到此放大器电路之最大单边转换增益(Maximum Unilaterla Transducer Gain,GTU,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S120。此时可得： 及 若利用最大增益匹配法（亦称共

4、轭阻抗匹配法），则可得 S =IN* 及 L =OUT*经过推导可利用下列公式计算出最佳输入反射系数Sm和最佳输出反射系数 Lm ： ，其中 （三） 单边设计评价因子（Unilateral 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。其计算公式如下：最大增益误差比则为： 其中GT是有源元件的转换增益(Transducer Gain) （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

5、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S=0及L=0情况下，无条件稳定的充要条件为K 1 ， |S11| 1 且 |S22| 1其中K称为稳定因子（stability factor） （2）条件稳定（Conditionally 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:rLcLrScS| |cL| - rL | 1| S22 | 1| |cS| - rS | 1|

6、S11 | 1，|S11| 1，|S22| 1 而条件稳定则是|cS| - rS| 1，|S11| 1 或 |cL| - rL| 1，|S22| 1（A）输出稳定圆（Load Stability Circle）：半径 ； 圆心 （B）输入稳定圆（Source Stability Circle）：半径 ； 圆心 (五) 设计步骤：步骤一：设定放大器工件频率(f0)与输出入阻抗(RS , RL)。一般射频放大器的输出入阻抗设定为50。步骤二：根据电源选用晶体三极管，同时设定三极管的偏压条件(VCE,IC)，决定出在该条件下的三极管的S参数(S11,S21, 12,S22)，并设计适用它的偏压电路。

7、步骤三：将步骤二所获得的S参数代入上述公式计算出下列设计参数。稳定因子，K单边设计评价因子，M最大单边转换增益，GTU,max 输入稳定圆的圆心，CS及半径，rS 输出稳定圆的圆心，CL及半径，rL最佳输入反射系数 Sm最佳输出反射系数 Lm步骤四：检查K值是否小于1。若K值大于1，则为无条件稳定可进行下一步骤。若小于，则须将输出入稳定圆标示于单位圆的史密斯圆图上，以便在设计输出入匹配电路时，避免使用到不稳定区域（如图5-2(b)）所示。步骤五：检查M值是否够小。（1）若M值接近0.03(-15dB)则适用单边设计，可得 S = S11* 及 L = S22* 最大增益即为GTU,max （2

8、）若M值大于0.03(-15dB)则须用双边设计，可得 S =Sm 及 L =Lm 最大增益即为GT,max步骤六：利用步骤五所得S及L设计输出入匹配电路五、模块测量1、 对LNA,MMIC放大器的S11及S21测量以了解MMIC放大电路的特性。对LNA,BJT放大器的S11及S21测量以了解射频BJT放大电路的特性。2、 准备扫频仪、同轴检波器、示波器、相关模块等。3、 测量步骤：一、用标量网络分析仪的测量方法： LNA的P1端子的S11测量：设定频段：BAND-4；用DC-1连接线将后面12VDC输出端子连接起来；对模块P1端子做S11测量，并将测量结果记录于表（9-1）中。 LNA的P1

9、及P2端子的S21测量:设定频段: BAND-4；对模块P1及P2端子做S21测量，并将测量结果记录于表(9-2)中。 LNA的P3端子的S11测量：设定频段：BAND-4；对模块P3端子做S11测量，并将测量结果记录于表（9-3）中。 LNA的P3及P4端子的S21测量：设定频段：BAND-4；对模块P3及P4端子做S21测量，并将测量结果记录于表（9-4）中。4、实验记录表9-1、9-2、9-3、9-4均为以下此表:二、用扫频仪、同轴检波器、示波器、相关模块的测量方法：微波扫频仪待测放大器示波器微波同轴检波器图5-2 微波滤波器测量方框图 将示波器打到X-Y挡，扫频仪扫瞄输出接示波器的X输入作为水平频率线。将扫频仪射频输出接LNA，中心频率为2600MHz，滤波器输出接微波同轴检波器，然后接到示波器Y轴挡。将扫频仪扫瞄带宽打到200MHz，带通滤波器