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微波课程设计
微波课程设计
射频放大器设计
1.设计目的
(1)了解射频放大器的理论和工作原理.
(2)了解射频放大器的设计流程.
(3)通过设计了解射频放大器的特性.
2.基础理论
超高频放大器与低频放大器一样是一种典型的放大信号振幅的有源电路,是由BJT(双极型晶体三极管)和FET(场效应管)组成的使用与高频的一种放大器。
下面,将阐述超高频放大器的基本概念和设计、制造的关键.
图3.1表明一个典型的单级放大器包括输入/输出匹配网络.
图3.1典型放大器系统
简言之,设计高频放大器的基本概念就是在特定的支流偏压点使输入/输出按照[S]频率参数与输入阻抗和负载阻抗相匹配。
输入输出(I/O)匹配电路必须要减少不必要的信号反射,提高从信号源到负载之间的传输效率。
一些放大器的参数和规格如下:
■增益和增益平坦度(indB)
■工作频率和带宽(inHz)
■输出功率(indBm)
■供电需求(inVandA)
■输入\输出反射系数(VSWR)
■噪声抑制(indB)
图3.22端口I/O网络
2.1功率增益
为了更好的了解超高频放大器我们定义了一些功率增益。
如图3.2所示,二端口网络功率放大器以散射系数表示的功率阻抗或者负载阻抗可以归为工作功率增益,传感器功率增益和有效功率增益。
A)工作功率增益
工作功率增益是传输到负载(
)的功率与二端口网络功率(
)的比值。
传输到负载的功率是输出端口的输入功率与反射功率之差,二端口网络的功率是输入端口的输入功率与反射功率之差。
因此,工作功率增益可以表示为:
公式中,
是二端口网络输入端口负载的反射系数,
是提供输入端口功率的反射系数。
B)传感器功率增益
传感器功率增益是源端最大有效功率
与传输到负载的功率
之比。
当网络输入阻抗与功率阻抗的共轭复数相等时可以获得最大功率。
当
,传感器功率增益可以表示为:
其中,
是负载反射系数。
假设
为0(单向传感器),单向功率增益为:
因为单向传感器
为0,所以输出对其没有影响。
上述公式由三个独立的公式组成,使我们能够独立的进行输入/输出设计。
C)有效功率增益
有效功率增益
是二端口网络有效功率
与源有效功率
之比。
也就是说,
。
当
功率增益为
,当
输入功率为
。
因此,有效功率增益可以表示为:
上述公式表明了当输入与输出匹配时的功率增益。
2.4匹配条件
如果散射系数已经由给定的条件决定,那么设计者为一可以调整的就只有输入/输出匹配电路。
实现输入\输出电路的匹配可以为负载提供最大的功率。
一旦有源器件的稳定性被确定,我们就该着手设计输入/输出匹配电路从而使反射系数可以和如下共轭复数相联系:
联立上述两公式,输入\输出匹配电路的反射系数可以由下式决定:
其中,
上述公式表示了功率和负载反射系数,从而使我们可以计算出最大的功率增益。
可以看出,匹配电路是根据由偏压和频率决定的有源器件的散射系数来设计的。
3.设计要求
3.1射频放大器设计规格
频率范围
2.2~2.7GHz
增益
15㏈ormore@2.45GHz
输入/输出回波损耗
10㏈ormore@2.45GHz
3.2器件选择
-使用MinicircuitsERA-5SM(详见附录“数据表”)
3.3仿真过程
-使用AnsoftDesignerSV
第一步:
建立电路图(工程→插入电路设计→空白)
第二步:
添加衬底信息(电路→加入模型数据→加入衬底定义)
RO4003C衬底参数
电介质
金属化
材料
电阻
厚度
单位
H:
20mil
Er:
3.38
TAND:
0.0021(2.4GHz)
铜
1.72414
0.669
mil(千分之一英寸)
第三步添加ERA-5SM(画图→N-节点)
第四步电路设计
第五步设定仿真频率范围(电路→添加分析设置)
第六步执行仿真(电路→分析)
第七步稳定性校验(电路→史密斯工具)
第八步确定仿真结果(电路→报告)
最终仿真结果
增益
17.16dB
输入回波损耗
22.48dB
输出回波损耗
12.45dB
3.4布局图
3.5测试工具及组成
1)射频放大器模块
2)网络分析仪
3)DVM:
1
3.6测试方法
1)使用FSK解调模块为射频放大器添加功率;
2)用DVM测量并记录基极和集电极电压;
3)将网络分析仪一端口功率设为-25dB并且将工作范围设定在2.2GHz到2.7GHz之间;
4)利用网络分析仪测量并记录射频放大器的S11参数;
5)利用网络分析仪测量并记录射频放大器的S22参数;
6)利用网络分析仪测量并记录射频放大器的S21和S12参数;
7)利用网络分析仪测量并记录射频放大器的输入P1的dB值;
8)关闭FSK解调模块从而切断为射频放大器提供的功率。
附录:
ERA-5SM数据表
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