355-宽频带放大器

3.5.5宽频带放大器

123.5.5宽频带放大器

电路简单噪声特性好频带不宽<30%

驻波比差*无损匹配特点*宽频带放大器种类

并联负反馈--低微波频段有损匹配--简单，效果不很好行波放大--单片集成或管芯组装平衡式放大器--频带受电桥限制，驻波比小3一、并联负反馈放大器单级负反馈漏极电感可以提升高频栅极电感可以改善噪声两极负反馈4微波电路并联负反馈特点:

负反馈相位不是180o：因为S21有相移微带引线有分布参数效应元件尺寸有影响噪声加大：噪声相位、频率随机，带外大部分为正反馈。适用于低频波段:<3GHz,<5GHz(因为元件尺寸较大)

频带足够宽:0.01--5GHz

驻波比改善5二、有损匹配电路有损并联高通型有损串联高通型

只能用于级间(损耗对噪声性能影响较大)

可以压低低频增益改善稳定性噪声系数变坏有损匹配特点：(电阻是吸收损耗元件,电容是减弱高频损耗的旁路电容。结构简单，易实现，性能稳定。)电阻电阻6三、分布式放大器(行波式放大器)

每只微波管从输入微带线耦合出一部分Ps进行放大

当栅线和漏线保持同速传播时

放大后右向波叠加，左向波部分相互抵消7FET简化等效电路

输入线电路8FET输入等效元件可以改成并联输入线等效阻抗：9

输出线等效电路

输出线等效阻抗：

为了提高增益可以在输出端级联同样的放大器。信号沿栅极线传播，各栅极电压依次为：10四、平衡式放大器组成:2个单管放大器

2个3dB耦合器111.分路合路器(正交耦合器)频带：10%频带：倍频程A.各口匹配：S11＝S22＝S33＝S44＝0B.1－4、2－3口相互隔离：S14＝S41＝0S23＝S32＝0C.邻口输出功率等分，相差900：12方形电桥S参数：用途：(1)分功率：从1口输入a1，(第2、3、4口匹配，a2=a3=a4=0)，矩阵方程:即b2和b3等分功率，相差900.13(2)输入口匹配：把(b)(c)代入(a)和(d)，得

b1=(

2+2

)a1b4=(+)a11口反射系数：

1－4口传输系数：

即：

1口无反射，4口有反射；反射不影响功率分配。14(3)功率合成：当输入a1和a4时当a1=ja4(a1比a4领先900)，得即第3口合成输出，第2口无输出。输入永远匹配，输出功率加倍。152.平衡式放大器两个放大器相同，暂以其S参数[Sb]和[Sa]表示。放大器由虚线框三个四口S矩阵组成。第1只放大器：16中间虚线框是两放大器组合：第2只放大器：再把两个正交耦合器组合起来，推导得总矩阵：两个放大器完全一样时：17平衡放大器特点:(1)匹配性能好：接负载

L时S12很小，

1、2很小匹配好(当

L=0时，1＝0)即使负载匹配不好(

L0)，放大器输入口的

1也很小。(2)增益同单管：

GP=|SIII|2=|S21|2

和单管放大器的相同。18(3)稳定性好：如果|S12S21|=1，说明管子刚好自己振荡恒为绝对稳定。19

3.5.6微波放大器的CAD技术一、微波电路分析

(A)微波电路分解成单元元件组合电路元件的分解20(B)常用单元件的S参数

串联阻抗

例：串联电容

并联导纳21

传输线段

并联开路微带线

并联短路微带线22(C)电路的S矩阵和性能参数

信源反射系数

负载反射系数

输入反射系数

输出反射系数

电路增益23放大器前后皆为匹配系统时

输入反射系数输出反射系数输入驻波比输出驻波比电路增益24(D)灵敏度分析

增益灵敏度

噪声灵敏度

驻波比灵敏度灵敏度直方图定义：电路特性(T)的相对变化与电路参数(X)相对变化的比值：25二、电路优化技术基本步骤：1.选择微波电路的拓扑结构和给出电路元件的初始值；2.进行电路分析；3.把分析得到的特性数据与要求的特性指标进行比较，得出误差函数；4.判断误差函数是否足够小；5.整理计算结果，打印输出。26(A)目标函数(ObjectiveFunction)(取样)误差函数

频率采样点数m

指数NormP=1线性误差---可能产生超差

P=2平方误差---最常用

P

最大-最小误差Min-Max---可能优化过程有起伏27

加权函数(Weight)控制优化特性--对于要求高的频率或元件值，取重加权

多目标的目标函数要求

min最优化概念：改变电路元件值使目标函数趋向最小即可满足要求，从而把电路的物理设计问题转化为数学的求极值问题。各指标互有牵制，用权函数控制达到要求。28(B)一元函数优化--外推/插值法

外推法的过程：

*选初始值x1,步长D

计算

(x1),

(x2)=

(x1+D)*如果

(x2)<

(x1)，寻查方向正确，外推。计算

(x3)=

(x2+2D)*如果

(x3)<

(x2)，再外推计算

(x4)=

(x3+4D)*比较

(x3)与

(xm)，舍去较大的一边的边沿点(如图中x2点)，其余点记xa、

xb、xc，转入插值计算。*得到

(x4)>

(x3),说明X2

至X4之间必有极小点*计算中间点

(xm)29

为了加速找到极小点，通过

(xa)、

(xb)、

(xc)作抛物线用抛物线极小点做近似解抛物线方程：

极小点是

极小点满足

插值法的过程：30

代入抛物线方程:式中

a、

b、

c、xa、xb、xc为已知值

解方程得k0，k1,k2,

代入极小点公式得:

比较

b和

0，舍去大的一边的边沿点(如图中的xc点)，保留3个点。继续插值直至满足误差要求。31(C)梯度法多变量优化(Gradient)原理：在任意点沿梯度负方向是函数值下降最快方向。

寻查方向

梯度

初始点例：同心椭圆组32

寻查变量

目标函数至此已转化为对t的一维优化，可按一元函数外推插值法优化。

满足收敛条件|(xk)|<

时停止

梯度法：最速下降、共轭梯度、拟牛顿(DFP、BFGS)

解析法求极值：33(D)直接优化法(单纯形法)定义：用直线构成的最简单图形

例：二维平面函数取三点构成单纯形，比较三个顶点函数值

Xh--最大值，Xg--次大值，

XL--最小值

Xh

Xc

是函数下降方向

以Xg、XL中点Xc为基准找出反射点Xr34如果

(Xr)<(Xg)，取扩展点Xe=Xh+(Xr-Xh)>1如果

(Xr)>(Xg)，取压缩点Xs=Xh+(Xr-Xh)<1

不断用新点替换Xh、展延单纯形,直到找到最小点

根据

(xr)

确定Xe或Xs是新得到的点，令其为XN，只要满足

(XN)<(Xg)，就完成了第一次寻查；第二次寻查用XN和原来较小的点Xg、XL

构成的三角形，再进行如同第一次寻查一样的寻查。35(E)全域随机优化法

电路的目标函数有多个极小点，不同初始值将优化到不同的极小点。

解决方法：*史密斯圆图估计初始值*随机优化找最小点所在域(a)随机算法Random（蒙特-卡洛法）扫描；随机网格投点；多起点聚丛；插值多项式；形心连线；随机梯度；水平集切割；退火；遗传法；……..36(b)遗传算法Genetic仿生：生物遗传过程中，染色体交换和基因突变，能产生不同于父本的优良进化。例：二元函数电路(两个变量电路)。在允许域中，随机投置A1,A2

两个点，(有两个个体的生物种群)。*A1的函数值=7（适应性为1/7)，*A2的函数值=5（适应性为1/5)，*A2<A1(A2的适应性强)37遗传优化概念

多基因交换、染色体段随机交换基因突变大种群、多个体、远亲交配，可以获得较好结果38

对应名词术语：

个体------变量组，是一维向量，由随机法产生Ai(X1i,X2i,X3i,…Xmi)

种群------用随机法产生的多个个体A1,A2,A3,…,An

个体的染色体----每个个体有不同染色体，即前述一维向量变量组(X1i,X2i,X3i,…Xmi)

染色体交换---不同染色体某一段（一个或几个变量）依概率互换基因------一维向量中的一个元素（变量）基因突变---少数变量(依概率Pm~0.01)在取值范围内随机取为另一个值39(F)中心值优化(YieldCenteringOptimization)

NF<NF0

合格

X0点--NFmin,性能最好，成品率低

X1点--非NFmin，成品率高。目的是提高大生产的成品率40

目标函数合格域Ra

函数最小值点(X10,X20)

变量公差

1，2

最小值处的成品率约

30%

两次中心值优化后成品率接近90%41

阴影区代表公差范围内的成品率Rn---变量域x0

Pc(x,x