射频电路设计四

1、射频电路设计射频电路设计信息科学与技术学院目 录 第一章 引言 第二章 传输线分析 第三章 Smith圆图 第四章 单端口网络和多端口网络 第五章 有源射频器件模型 第六章 匹配网络和偏置网络 第七章 射频仿真软件ADS概况 第八章 射频放大器设计 第九章 射频滤波器设计 第十章 混频器和振荡器设计第四章单端口网络和多端口网络主要内容： 建立基本网络的输入、输出关系 给出网络连接的规则 介绍基于功率波关系的散射参量（S参量）4.1 基本定义4.2 互联网络4.3 网络特性及其应用4.4 散射参量 4.1基本定义基本规则：不管单端网络还是N端网络，电流的脚 标指明它流入的相应网络端口；电压的脚标

2、指明测量该电压的相应网络端口。如图一、阻抗、导纳参量根据双脚标阻抗参量Znm建立电压电流关系，其中n和m的取值从1到N。各网络端口(n；1N)的电压为，1端口由此可见，每个端口n不但受到本端口阻抗Znn的影响而且也受到其他所有端口阻抗线性叠加效果的综合影响。变换成阻抗矩阵阻抗矩阵(Z矩阵矩阵)形式：表明当第M端口的输入电流为im而且其他端口均为开路状态(即km时，iko)时，第n端口测得的电压是vn。4.1 基本定义采用电压作为自变量，则电流可以表示为导纳矩阵导纳矩阵(Y矩阵矩阵)的元素为显然阻抗矩阵与导纳矩阵互为倒数阻抗矩阵与导纳矩阵互为倒数4.1 基本定义例题41形网络的矩阵参量如图42所

3、示，已知形网络(由于网络的形状类似于希腊字母而得名)由阻抗ZA，ZB以及ZC构成，求解该网络的阻抗矩阵和导纳矩阵4.1 基本定义结论：线性、无源网络的阻抗矩阵和导纳矩阵都是对称的。对称网络的数学表达为： Znm=Zmn (49)根据(49)式，导纳矩阵同样有此关系。事实上，可以证明任何互易网络(即无源、线性)且无耗的N端口网络都是对称的。注意：通过假设网络端口为开路或短路状态，可以很容易地测得全部矩阵元素。然而，随着频率不断升高并达到射频界限，终端的寄生效应则已不能忽略，此时必须采用其他测量方法。4.1 基本定义二、h参量和ABCD参量除了阻抗和导纳网络参量以外，根据电压和电流参考方向的不同规

4、定，还可导出两套更有用的参量。就两端口网络而言，根据图41，定义：ABCD参量矩阵(级连矩阵)：h参量矩阵(混合矩阵)：这些矩阵元素的计算方法与前面介绍的阻抗矩阵、导纳矩阵元素的计算方法完全相同。如：h参量矩阵元素h21和h12分别定义了正向电流和反向电压增益，另外两个元素确定了网络的输人阻抗(h11)和输出阻抗(h22)。故 h参量经常被用于分析低频晶体管模型4.1 基本定义大多数实用晶体管的电流放大系数都是远远大于1的，而且集电极发射极电阻也远远大于基极发射极电阻。则简化晶体管的上述h参量矩阵元素表达式：注意：由于上例中出现了电流源，h参量矩阵就不再是对称的(h12h21)，而且晶体管模型

5、也不是互易的。在低频电子电路设计中，参量矩阵元素通常用hie表示h11，hre表示h12， hfe表示h21 , hoe表示h224.1 基本定义下面通过例题，说明根据已知的h参量矩阵导出BJT的内阻。4.2 互联网络 一、网络的串联图4.4一对双端口网络的串联，每个电压可以相互叠加而每个电流保持不变。其结果是 由于可能发生短路（如右图），必须注意防止不加选择地将不同网络相连。如右下图所示，引入变压器可以防止短路情况的发生在此例中变压器使第2个网络的输入、输出端口相互隔离。然而，这种方法只能适用于交流信号，因为变压器的作用是高通滤波器、它阻断了所有直流分量。4.2 互联网络当两个网络输出端口交

6、叉连接时，采用h参量描述最为合适。 当两个网络采用下图所示方式相连接时，输入端口的电压和输出端口的电流都符合叠加关系(即v1v1+v1”和i 2=i2+i2”)，而输出端口的电压和输入端口的电流则相等(即v2v2=v2”和i1ilil”)。此时整个系统的整个系统的h参量等于单个参量等于单个网络网络h参量的总和：参量的总和：如：达林顿晶体管Q1和Q2的就是这种连接方式4.2 互联网络 二、网络的并联 一对用导纳矩阵y和y表示的并联两端口网络如图48所示，与(416)不同的是其中电流可以叠加4.2 互联网络三、 级连网络如右图：第1个网络的输出电流与第2个网络的输入电流在数值上相等，符号相反(即i

7、2-i2)。第1个网络输出端口的电压降v2等于第2个网络输入端口的电压降v1。 ABCD参量特别适合于描述级连网络，例如图49所示的双晶体管配置：所以、可以写出如下关系：整个网络的整个网络的ABCD参量矩阵等于各个网络参量矩阵等于各个网络ABCD参量矩阵的乘积。参量矩阵的乘积。4.2 互联网络 四、 ABCD网络参量计算 二端口网络是构成复杂电路的基本单元，因此，只要知道了二端口网络的ABCD参量，就可通过级连方式计算得到复杂电路的ABCD参量。 常用的基本二端口网络的ABCD参量计算：传输线、串联阻抗以及无源T形网络等。全部计算结果都列在本小节末届的表41中。例题45 求解7形网络的4删参量

8、矩阵 求解下面图中所示7形网络的朋cD参量矩阵：解：这个问题可以采用两种不同的方法求解。第1种方法是直接应用ABCD参量矩阵元素的定义。按照前一例题的方法计算短阵元素。另一种方法是利 表41以两端口网络ABCD参量的形式总结了6种最常用的电路结构。根据这6种基本模型，大多数复杂电路都可以通过这些基本网络的适当搭配构成。一、 网络参量之间的换算关系 由于电路结构的特殊性，有时需要在不同网络参量之间进行转换以便得到特定的输入、输出特性表达式。例如，低频晶体管参数通常以h参量的形式给出，然而，当晶体管与其他网络级连时，ABCD参量也许是更合适的形式。所以，将h参量和ABCD参量相互转换可以大大简化问

9、题的难度。1、从已知的从已知的A参量矩阵导出参量矩阵导出ABCD参量矩阵参量矩阵由定义式(411)，A元素可以表示为：4.3网络特性及其应用同理，可求出其他元素；这就是从h参量到ABCD参量的变换结果。同样办法可实现ABCD参量到h参量的变换4.3网络特性及其应用2、从、从ABCD参量到参量到Z参量的变换参量的变换 依据电压、电流定义的相应关系可以直接求解网络参量之间的所有变换关系。为了使用方便，表42总结了前面定义的4种网络参量的变换关系式(全部变换公式见附录H)。4.3网络特性及其应用二、微波放大器分析 通过一个实例，利用不同网络参量之间的变换关系分析一个较复杂的电路。讨论如图410所示的

10、特定微波放大器电路。4.3网络特性及其应用 采用高频混接形网络描述晶体管如右图，其h参量矩阵为4.3网络特性及其应用晶体管的h参量矩阵变换为Y参量矩阵，再利用并联网络的求和规则，将结果与反馈电阻的Y参量矩阵相加。得：4.3网络特性及其应用 4.3网络特性及其应用4.4 散射参量 在实际射频系统不能再采用终端开路、短路的测量方法，而是利用散射参量（S参量），在避开不现实的终端条件且避免待测器件损坏的前提下，用二端口网络分析的方法确定射频器件的特性。一、散射参量的定义 S参量表达的是功率波。故可用入射功率波和反射功率波的方式定义网络的输入、输出关系。4.4 散射参量4.4 散射参量4.4 散射参量二、散射参量的物理意义4.4 散射参量4.4 散射参量4.4 散射参量4.4 散射参量4.4 散射参量4.4 散射参量4.4 散射参量 三、链形散射矩阵4.4 散射参量由系统可见4.4 散射参量(步骤同前4.3节)4.4 散射参量4.4 散射参量四、Z参量与S参量之间的转换附录D列出了全部6套网络参量的换算关系.由S参量的定义推导得：4.4 散射参量五、信号流图模型 利用信号流图，简化射频网络以及他们之间整体互连关系的分析过程。