毕业设计论文超宽带功率放大器的设计.doc

《毕业设计论文超宽带功率放大器的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文超宽带功率放大器的设计.doc（41页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、超宽带功率放大器的设计本科毕业设计（论文）题 目 超宽带功率放大器的设计 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 指导教师 完成时间 本科毕业设计任务书题目 超宽带功率放大器的设计 专业 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：1. 查阅功率放大器设计的资料，掌握其工作原理；2. 查阅国内外厂商功率放大器芯片资料,由给定的技术指标,如增益和线性度,效率的要求, 选择合适的功率放大器芯片，并确定采用几级功放级联实现设计要求； 3详细学习所选取的功率放大器数据手册； 4学习ADS软件中关于功率放大器设计部分； 5由芯片S参数等,利用ADS软件完成电路仿真并进行优化设计. 6基本要求第1周第

2、2周：图书馆查找资料，消化资料第3周： 翻译英文材料第4周第7周: 学习超宽带功率放大器设计和ADS软件射频电路设计知识第8周第12周：方案确定，选择芯片，电路仿真优化第12周第15周：完成论文完 成 期 限： 指导教师签名： 专业负责人签名： 超宽带功率放大器的设计摘 要超宽带技术是一种全新的无线电技术,在无线通信方面有着不可替代的优势。超宽带功率放大器是UWB无线通信系统的重要组成部分。本论文在研究超宽带功率放大器基本电路结构以及阻抗匹配、稳定性、功率增益和频带宽度等重要设计参数的基础上,根据器件的特点设计出一个工作频带为1.6GHz 2.2GHz， 功率增益为20dB左右，输入电压驻波比

3、小于1.5, 输出电压驻波比小于2的超宽带功率放大器,经优化仿真给出了具体电路和参考参数。该仿真结果满足系统的设计要求,为超宽带功率放大器的研制提供了理论依据, 具有较大的工程参考价值。关键词：功率放大器 超宽带 阻抗匹配 IITHE DESIGN OF ULTRA-WIDEBAND POWER AMPLIFIERABSTRACTUWB which is a new radio technology in wireless communications has irreplaceable advantages. Ultra-Wideband power amplifier is an impo

4、rtant part of UWB wireless communication system. According to the characteristics of the device,this thesis, which is based on the study of basic circuit structure of ultra-wideband power amplifier and important design parameters such as impedance matching, stability, power gain and band width and s

5、o on, designed an Ultra-wideband power amplifier whose working frequency band is 1.6GHz 2.2GHz, power gain is about 20dB, input voltage standing wave ratio is less than 1.5,besides the output voltage standing wave ratio is less than 2,and the optimization and simulation shows the specific circuit an

6、d reference parameters. The simulation results which has practical value basically meet the design requirements,and gives an analysis and design basis of Ultra-wideband power amplifier for further study.Keywords: Power Amplifier UWB Impedance Matching超宽带功率放大器的设计目 录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 UWB的特点、应用和发展现状1

7、1.1.1 UWB的特点11.1.2 UWB的应用31.1.3 UWB的发展现状41.2 功率放大器的分类、特点、现状及发展趋势51.2.1 功率放大器的分类和特点51.2.2 功率放大器的现状61.2.3 功率放大器的发展趋势71.3 论文研究的目的和意义71.4 论文的主要内容及章节安排82 超宽带功率放大器的设计理论92.1 超宽带功率放大器设计的难点92.2 功率放大器的背景理论102.2.1 工作频带102.2.2 二端口S参数102.2.3 功率增益及增益平坦度122.2.4 输入输出电压驻波比142.2.5 稳定性162.3 负反馈技术182.4 阻抗匹配192.5 史密斯圆图2

8、02.6 本章小结213 超宽带功率放大器的设计223.1 超宽带功率放大器性能指标参数223.2 晶体管的选取223.3 超宽带功率放大器的结构框图233.4 超宽带功率放大器的第一级设计243.5 超宽带功率放大器的第二级设计263.6 超宽带功率放大器的原理图273.7 电路仿真结果283.7.1 阻抗匹配283.7.2 增益303.7.3 稳定性303.7.4 输入输出电压驻波比313.8 本章小结32结束语33致谢34参考文献35超宽带功率放大器的设计1 绪论1.1 UWB的特点、应用和发展现状1.1.1 UWB的特点UWB(Ultra Wideband)无线通信是一种不用载波，而采

9、用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式，也称脉冲无线电、时域或无载波通信。UWB的特点是不使用携载信息信号的载波而代之以单周期的基带信号进行传送。由于占用带宽达500MHz以上，即使传送路径特性良好也会产生失真。但是，由于UWB采用非常宽的带宽，它具有以下特点：(1) 可以把多路径的时延分解到1ns以下，这样就能充分抑制多路径衰落的影响。(2) 利用高的路径分解能力，可用UWB实现室内的高质量近距离无线通信。(3) 衰落影响的降低，故发送功率很小即可。(4) 发送功率低的UWB中，功率谱密度非常小，故几乎不对其它宽带传输带来影响。UWB的物理特点：(1) UWB信号 单周期的脉冲序列

10、。 不用余弦波的载波(也有使用广义上的载波者)。 通常，脉冲时宽从微微秒到纳秒 典型的脉冲波形为高斯型。 脉冲重复周期通常间隔0.1秒。(2) UWB带宽带宽比=带宽/中心频率 (1-1)(带宽比)= (1-2)UWB的带宽比通常在25%以上如=2.4GHz,=3.0GHz,=1.8GHz时，带宽比=50%,试与以往的通信方式比较：AM：6.8KHz/530KHz=1.3%cdmaOne:1.25MHz/800 MHz=0.15%W-CDMA:5 MHz/2200 MHz=0.23%无线LAN(IEEE802.11)：22 MHz/2450 MHz=0.9%(3) 处理增益(PG)UWB系统在

11、占用同样带宽下具有与DS-CDMA系统同等程度的处理增益，故抗干扰能力强。(4) 通信容量使用GHz级带宽的UWB可以高可靠性实现超高速传输。UWB在实用上的特点：(1) 功率谱密度极低(噪声电平低于DC-SS)，对原有通信系统的干扰和被干扰小，可共存。(2) 平均功率电平在1mW以下，可传送数英里。(3) 利用极短的脉冲(ns量级)，具有高的路径分解能力，可实现雷达的高精度测距(数cm级)。(4) 无载波，信号发射时间极短，可建立小型低功率的系统。(5) 占用非常宽的带宽(GHz级)，可实现大容量多路接入和超高速传输(数百Mbps)。(6) 能同时进行通信与测距，可应用于车辆间通信等。采用这

12、么宽的频带能实现高速传送的道理可用仙农引入的信道容量来说明无论有线或无线的情况，物理上能对所提供的每个信道进行无误传送的最大传输速度，被定义为信道容量。特别地，在可传输的频段B受限，而有噪音产生误码的信道中，信道容量C由下式表示： (1-3)在此式中C=最大信道容量(bps),B=信道带宽(Hz)，S信号功率(W)，N=噪音功率(W)。 这就是说，最大传输速度C大致与信道的带宽B成正比，如提高信噪比，C就能增大。所以，像UWB这样把带宽B扩展到GHz数量级，便能实现超高速传输。 至于信道中的误码，在通常的无线通信中并不仅是噪音，还有墙壁等障碍物的电波反射和折射等造成的多重传播，即所谓多径(Mu

13、lti-path)造成信号间的干扰而且在多个用户接入无线信道，即所谓多重接入时，用户间的脉冲在时间上冲突引起用户间干扰，也会产生误码。为此，在UWB中，对各个用户进行时跳模式(TH)的分配，以尽可能避免脉冲在时间上的冲突。尽管如此，但他局脉冲与本局脉冲冲突的概率仍决定着系统的性能。因此，在传输速度一定的条件下，如能扩大脉冲的间距，那么UWB的系统性能会更好。 UWB技术更早是作为脉冲雷达来研究开发的，用UWB信号测距的单，当所发送的脉冲碰到障碍物，计算收到其反射信号的时间，用电磁速度乘以该脉冲的往返时间，便能计算出往返的距离。虽然UWB在过去已进行了应用开发，但要商用化应用研究的课题尚有以下各

14、点：(1) 在超宽频段产生时间极短脉冲的电路、元件以及超宽频段天线、高频电路的制造。(2) 接收时每个脉冲位置的检测精度。(3) 多路径环境下脉冲信号间的干扰。(4) 多用户环境下脉冲冲突产生的用户间的干扰(系统内干扰)。(5) 共用频率(共存系统)产生的系统间干扰。1.1.2 UWB的应用近年来，对移动信息通信系统的大容量、高可靠和高品质化的要求普遍增强，多种多样的服务正在出现。在超宽带无线通信系统已引入了CDMA的IMT2000及其下行宽带流的HDR，在无线LAN中已开发了2.4GHz频段采用SS(扩频)方式的IEEE801.11b及采用FH(跳频)的蓝牙，5.2GHz频段采用OFDM(正

15、交频分复用)的HyperLAN2及IEEE802.11a，以及可以说是2.4GHz版的IEEE802.11g等，并正在商用化。这些方式都使用超宽带的调制方式，也能实现高速无线传输。而不用载波、用占用非常宽的频带的脉冲信号进行无线传输的UWB方式，由于高频器件、信号处理技术的研究开发已经实现。尤其是考虑到电波法对发送功率的限制等，在应用蓝牙等技术的近距离无线市场中，可实现更高速的基带无线通信，且具有传感功能的UWB技术，一下子就受到了人们的关注。可考虑的主要应用包括室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等。尤其是可考虑以下应用：(1) 通信 数据速度：低速(几十k

16、bps)超高速(数百Mbps)，通信范围：几米(约几米)。“第3代”蓝牙发展或无线PAN(个人局域网)。 IEEE802.15(无线PAN)把TG3(达到20Mbps)规范高速化。 家庭内为主要的数据传输，近距离100Mbps以上的无线传输。 无线USB2.0数据速率：480Mbps(USB2.0)。 美国XtreheSpectrum及Tiue Domain公司的UWB技术方案。(2) 雷达、检测器 军事用途。 警察及消防(穿墙检测器等)。 高精度测距(防撞检测器等)。1.1.3 UWB的发展现状面对美国主导的UWB商用化，日本基于产业界的要求，出现了一些动向，但尚未成为统一的行动。日本通信综

17、合研究所(CRL)从2002年5月开始UWB特别R&D小组的筹备，8月成立了实施UWB计划的特别小组，全面进行微波到毫米波的UWB研究开发以及技术标准的制定等，并以CRL为中心组成UWB产学官财团，为有关UWB的电波制度的国际协调及日本有关UWB商品化的服务为主要目的，推进产学官的合作研究开发。UWB产学财团的目的为： (1) 超宽带无线接入系统的研发。(2) 通过采用测试台的微波段系统(960MHz、3.1GHz10.6GHz频段、22GHz29GHz频段)进行检证试验。(3) 未利用频段(亚毫米波毫米波段)的研发。(4) 达到高速数据传输(100Mbps以上)的低成本收发组件及通信方式的确

18、定。(5) 希望在信息技术审查/ARIB等方面标准化。UWB产学财团的主要研究课题为：(1) 频率共用技术。(2) 超宽带专用通信方式。(3) 高速(100Mbps以上)传输技术。 (4) 超宽带微波、毫米波器件技术。(5) 电波传输特性的了解与模型化。(6) 干扰抑制与去除方式。(7) 高速脉冲信号处理技术(RF段、BB段)。(8) 位置测定方式。1.2 功率放大器的分类、特点、现状及发展趋势1.2.1 功率放大器的分类和特点在多级放大电路中，输出信号往往都是送到负载，去驱动一定的装置，这类主要向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。其中用的主要器件为功率放大器。根据匹配网络的性质，可将

19、功率放大器分为非谐振功率放大器和谐振功率放大器。非谐振功率放大器的匹配网络，例如高频变压器、传输线变压器等非谐振系统，其负载呈现纯电阻性质。而谐振功率放大器的匹配网络是谐振系统，其负载呈现电抗性质。按照电流导通角的不同，放大器可分为甲类(A类)、甲乙类(AB类)、乙类(B类)、丙类(C类)等。甲类(A类)放大器电流的导通角为180度，适应于小信号小功率放大。乙类(B类)放大器电流导通角为90度；甲乙类(AB类)介于甲类和乙类之间，电流导通角大于90度、小于180度；丙类(C类)放大器电流导通角小于90度。乙类和丙类都适应于大功率工作状态。丙类工作状态的输出功率和效率是这几种中最高的。功率放大器

20、多采用丙类放大器的形式。但是丙类放大器具有电流波形失真大的缺点，只能采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。功率放大器还有使功率器件工作与开关状态的丁类(D类)放大器和戊类(E类)放大器。丁类放大器的效率高于丙类放大器，理论上可达到100，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或者阳极耗散功率)的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则丁类放大器的工作频率可以提高，即构成所谓的戊类放大器。这两类放大器是晶体管射频放大器的新发展。功率放大器按照工作状态可分为线性放大器和非线性

21、放大器两种。线性放大器的效率最高也只有50，而非线性放大器则具有较高的效率。功率放大电路主要要求获得不失真（或失真较小）的输出功率，要求输出功率较大和工作效率较高，同时还要满足带宽、增益和稳定性的要求。通常处在大信号工作状态下，放大过程中会产生非线性失真。功率放大器工作在非线性状态下，属于非线性电路，因此不能用线性等效电路来分析。通常采用的分析方法是图解法和解析近似分析法。图解法是利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进行计算；解析近似分析法是将电子器件的特性曲线用某些近似解析式来表示，然后再对放大器的工作状态进行分析计算。最常用的解析近似分析法是用折线来表示电子器件的特性曲线，称为折线法。总

22、的来说，图解法是从客观实际出发，计算结果比较准确，但对工作状态的分析不方便，步骤比较繁冗；折线近似法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。1.2.2 功率放大器的现状 哪里有无线通信，哪里就有发射机，而只要有发射机，就一定有功率放大器。功率放大器发展至今，有许多种类和应用，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功放、也有上千瓦的电视信号发射机，但所有的功放，其设计所遵循的基本规律几乎是相同的。 功率放大器的历史很悠久，甲、乙、甲乙类、丙类的划分方法可以追溯到上世纪30年代，现今这样的概念仍然被广泛使用。然而，随着现代通信体制的发展，特别是数字调制技术的产生和应用。功率放大器所

23、涉及的许多概念正被重新定义或者修正。现代功率放大器设计中，引入了很多过去没有的概念和技术。功率放大大器的设计考虑的因素越来越多，设计中折衷考虑的过程也越发复杂。随着计算机技术和DSP技术的发展，设计过程也和传统方法大相径庭，引入了建模、仿真等新工具。并且出现了很多新的电路方案，例如:结合DSP技术的反馈技术，卡特生环等。 功率放大器发展至今，已经广泛的应用于军用，民用通信领域。现代通信的发展对带宽，线性，效率等指标提出了更高的要求。相应的功放研究也成了未来的趋势和热点。随着材料，计算机，以及功放相关理论的进一步发展，可以预见指标更优的功率放大器，不久将会出现，并服务于无线通信领域。1.2.3

24、功率放大器的发展趋势功率放大器研制的一大难点是线性度的提高，高线性放大器是功率放大器发展的一大趋势。目前，针对提高线性指标的研究，己成为热点。出现了许多先进的技术和新颖的方案。比较传统的功率回退法，由于其效率低下已不能满足要求。失真反馈技术，预失真技术，前馈技术等一批新电路解决方案的研究已取得了一定进展。可以预见，未来的线性放大器会兼有高效率，高线性，超宽带特性等优点。随着超宽带技术在通信领域的广泛应用，超宽带功率放大器在逐渐在功率放大器家族中崭露头角，成为功率放大器发展的另一大趋势。作为UWB无线通信技术网络中的重要一环，超宽带功率放大器性能的优劣直接关系到通信的质量好坏。如何进一步开发在更

25、高频率，更宽频带并能稳定工作的低功耗的超宽带功率放大器是目前UWB技术工作人员的工作重点。1.3 论文研究的目的和意义 随着UWB技术的迅猛发展，它在无线通信、移动电话、卫星通信网、全球定位系统(GPS)、直播卫星接收(DBS)、ITS通信技术及毫米波自动防撞系统等领域有着广阔的应用前景。超宽带通信技术的不断发展，对超宽带功率放大器也提出了更高的输出功率和更大带宽的要求。本论文研究的基于功放级联结构和负反馈结构的超宽带功率放大器具有可靠性高、工作带宽大、使用电压低、输出功率高等优点，能适应当今UWB通信的技术需求。本课题为:“超宽带功率放大器的设计”。课题来源于赵红梅老师的射频研究工作。本人设

26、计的是工作在1.62.2GHz频段的功率放大器。(1) 技术难点:l 输出增益大。l 在微波状态下，功率放大管参数易波动。l 工作频带宽，要求精心设计、构建合适的超宽带匹配网络。l 在高频率，超宽带的条件下，保证功率放大器能在稳定条件下正常工作。(2) 作者所做的工作:l 根据课题的总体技术指标要求和要求实现的功能对系统进行整体规划和设计。l 对系统各功能电路进行深入分析和理解。并就课题所采用的方案做仿真验证、研究之后设计出完整电路。l 完成具体电路的设计、优化和仿真。本论文的主要工作围绕超宽带功率放大器的设计与实现展开。论文首先对UWB技术和功率放大器的分类特点进行了介绍，而后对设计超宽带放

27、大器所涉及的理论进行研究，之后对超宽带功率放大器的仿真理论做了分析，并进行了相关仿真及验证，根据分析以及计算，给出了仿真优化结果。1.4 论文的主要内容及章节安排本论文在研究传统的放大器设计基础上，针对功率放大和宽频带的要求提出两级功放结构和负反馈结构，并将这种结构应用于工作频带为1.6GHz-2.2GHz的超宽带功率放大器设计中。通过设计和仿真证明了其结构的有效性。本论文的具体文章结构安排如下：第一章绪论。讲述目前UWB技术和功放的特点及广泛应用，论述了本课题研究的意义及本论文的主要内容和章节安排。第二章讲述了超宽带功率放大器设计的难点和功率放大器设计的基本理论。描述了二端口网络等功率放大器

28、设计的基本理论、负反馈技术和阻抗匹配理论及史密斯圆图概念。第三章详细阐述了超宽带放大器设计过程，并给出了仿真结果。最后一章对本论文的工作进行了总结和概括。2 超宽带功率放大器的设计理论2.1 超宽带功率放大器设计的难点 超宽带功率放大器设计需要考虑一些特殊因素。输入、输出匹配电路需要精心设计、调试，以便降低电压驻波比、避免寄生振荡。为了工作稳定，阻抗匹配分析通常被作为超宽带功率放大器设计的重要一步。稳定性分析以及增益都是放大器设计所要考虑的基本要素。依据这些要素才能设计出符合增益、增益平坦度、输出功率、带宽等要求的放大器。超宽带功率放大器的设计面临着很多挑战。一般来说，要使超宽带功率放大器在一

29、个很宽的频段内工作并且在该频段内保持恒定增益，那么就需要合理地设计匹配网络或反馈网络，因为晶体管的随频率的增大而减小。以下为超宽带放大器设计过程中所面临的难题。(1) 和随频率的变化。随频率的升高而下降，而却随频率的升高而升高。图2.1为微波晶体管和随频率变化的曲线图。图2-1 和随频率变化图(2) 和也随频率的变化而变化，在较宽的频段内，和的变化对放大器电路的各个性能参数都会有很大影响。(3) 在超宽带放大器的某些频段，输入输出电压驻波比VSWR会发生退化。(4) 理论的局限性。根据博德（H.W.Bode）1945年提出的增益带宽极限定理，对于恒定的增益带宽积(GBW)，可以通过反馈的方法在

30、增益和带宽之间进行折衷。而增益带宽积GBW(以晶体管的GBW为例)和直流功耗成比例。因此，增益带宽积GBW的增大意味着电路直流功耗的增多。对于应用先进技术进行高性能放大器设计来说，的增大将是一个很可怕的任务。通常可以采用两种方法来设计超宽带放大器(1)运用补偿匹配网络的方法(2)运用负反馈的方法。补偿匹配网络的方法通过使输入匹配网络和输出匹配网络失配来补偿因频率的改变而发生变化的部分。匹配网络的设计是为了得到最好的输入输出电波比。在设计上传统窄带放大器的端口匹配，一般是按照低噪声或者共扼匹配来设计的，以此获得低噪声放大器或者最大的输出功率。但是，在超宽带的条件下，输入输出阻抗变化是比较大的，此

31、时仅使用共扼匹配的概念是不合适的。正因为如此，超宽带放大器的匹配电路设计方法也与窄带放大器有所不同，超宽频带放大器电路结构主要可以分为以下几种：(1)平衡式放大器(2)反馈式放大器(3)分布式放大器(4)有耗匹配式放大器(5)有源匹配式放大器(6)达灵顿对结构。各种结构都有各自的特点和适用的情况，在设计中应当根据具体放大器的性能指标要求进行合理的选择。2.2 功率放大器的背景理论2.2.1 工作频带工作频带通常指放大器满足其全部性能指标的连续频率范围。放大器的实际工作频率尽可能限制在所定的工作频率范围。2.2.2 二端口S参数为了描述一个二端口网络的工作特性，必须同时获得其传输和阻抗函数的测量

32、数据。在低频情况下，z、y、h或ABCD参数用于描述二端口网络非常有用。而在微波频段，由于对于交流信号的短路和开路很难在微波宽带范围内实现，z、y、h或ABCD参数的测量就非常困难。因此，在微波频率下，二端口网络需要一种新的描述方法，即散射参数（S参数）。这些参数是根据传输波来定义的，它们可以整的描述二端口的特性。S参数可简单地用于电路分析，也可直接应用于流图定理（flow graph theory），还可用于描述n端口网络的特性。图2-2 二端口网络的入射波和反射波 如图2-2的二端口网络，引入归一化入射波和归一化反射波和反射系数(x) (2-1)且在端口1以表示入射波（定位于），以表示反射

33、波，在端口2以表示入射波（定位于），以表示反射波，则根据式(2-1)可得到 (2-2) (2-3)显然、和分别为图2-2中1端口和2端口的入射波和反射波的数值。参数、和代表反射系数和传输系数，称之为二端口网络的散射参数（S参数），可由端口1和端口2处测得。将参数矩阵 (2-4)称之为散射矩阵。表示在端口1处入射波对反射波的贡献。同理，表示在端口2处入射波对反射波的贡献。 S参数表示被看成是反射系数或传输系数。由式(2-4)，S参数在特定位置的测量值如图2.1所示的端口1和端口2，定义为 (2-5) (2-6) (2-7) (2-8)：端口2匹配时，端口1的反射系数，可以用来表示回波损耗的大小，

34、既有多少能量被反射回源端，在所能达到的范围，值越小越好。：端口1匹配时，端口2的反射系数 ：端口2匹配时，端口1到端口2的正向电压传输系数，可以用来表示增益的大小，在所能达到的范围，值越大越好。：端口1匹配时，端口2到端口1的反向电压传输系数若图2-2中的二端口网络代表一个晶体管，那么晶体管必须有适当的直流偏置。因此，S参数是在小信号条件下给定的Q点（工作点）测量的。而且，S参数是随频率变化的，当频率改变时，它的值必须重新测量。 2.2.3 功率增益及增益平坦度(1) 功率增益功率增益指输入输出良好匹配的情况下，输出功率与输入功率的比值。单位用dB表示。功率增益定义为: (2-9)在射频微波晶

35、体管放大器电路设计中，我们又可以见到以下几种增益定义，它们取决于人们对射频放大器运行机制的了解。 工作功率增益指放大器输出端口传送到负载的功率与信号源实际传送到放大器输入端口的功率之比。它是放大器在实际工作中产生的真正功率增益的量度。适用于最大线性输出功率。 资用功率增益指放大器输出端口的资用功率与信号源的资用功率的比值。它是在负载端口匹配情况下的转换功率增益。资用功率增益适用于低噪声放大器(LNA)。 转换功率增益指放大器的输出端口实际传送到负载的功率与放大器输入端口信号源的资用功率的比值。它定量的描述了插入在信号源与负载之间的放大器增益。它是放大器在输入端口单独实现共扼匹配的特殊情况下的功

36、率增益，它不是一个实际的工作功率增益。 单向转换功率增益单向化设计只是简单地忽略输入端口与输出端口之间的相互作用，是一种近似的设计方法。而实际中由于晶体管内部反馈效应的存在，反向电压传输系数。在放大器单向化设计时，将反向电压传输系数忽略。这样放大器的转换功率增益就成为单向转换功率增益。(2) 增益平坦度增益平坦度表征功率放大器增益在一定温度下，整个工作频率范围内变化大小。它定义为放大信号输出幅度随频率的变化量。它用工作频率范围内最大输出幅度与最小幅度(用dB单位)差值表示。该差值即是用dB表示的放大器输出幅度随频率变化的峰峰值，如图2.3所示。增益平坦度由下式表示: (2-10)其中和分别为功

37、放在工作频率范围内的最大增益和最小增益。图2-3 增益平坦度示意图2.2.4 输入输出电压驻波比在很多情况下，微波晶体管放大器的特性用输入电压驻波比和输出电压驻波比来描述。宽带放大器中，输入、输出电压驻波比表征了其输入、输出回路的匹配情况。 图2-4 晶体管放大器在图2-4，可以将输入到匹配网络M1输入端的功率用其输入反馈系数表示为 (2-11)式中， (2-12)令 (2-13)称为源失配因子，则1，利用/比值关系可推导出 (2-14)由公式(2-13)可得到 (2-15)所以，无耗网络M1输入端的输入电压驻波比（VSWR）可写为 (2-16)类似的，也可得出 (2-17)其中 (2-18)

38、令 (2-19)称为负载失配因子，则1，利用/比值关系可推导出 (2-20)由公式（2-19）可得 (2-21)所以，无耗网络输出端的输出电压驻波比（VSWR）可写为 (2-22)因此，输入、输出电压驻波比可由源和负载失配因子计算得出。 超宽带放大器输入端存在的失配在某些情况下会使系统不稳定，一般情况下，为了减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响，可用隔离器等其他措施来解决。2.2.5 稳定性在微波电路设计中，放大器的稳定性设计是一个重要的考虑因素。其中，微波电路的稳定性可以用S参数来表示。如果电路的输入或输出端电阻为负电阻，二端口网路就可能发生振荡。振荡发生在输入或输出端反射系数大

39、于1的条件下。(即1或1)放大器的稳定性分为绝对稳定性和相对稳定性两种。当放大器处于绝对稳定状态下，对于所有无源负载和有源阻抗来说，放大器电路的输入和输出端电阻的实部为正，当放大器处于相对稳定状态下，放大器电路输入端电阻或输出端电阻的实部为负。 在放大器设计中，对于工作频段内的每个频率点，都需要做稳定性测试。 图2-5 二端口网络的、 、 、二端口网络的、 、 、可以用S参数来表示。对于给定频率点的绝对稳定性，、 、 、应满足如下条件。 (2-23) (2-24) (2-25) (2-26)二端口网络为绝对稳定的充要条件为 (2-27) (2-28)在实际中，大部分的微波晶体管放大器由于内部反

40、馈，都处于潜在不稳定状态。针对这个问题，有两种解决方法。第一种解决方法是通过反馈来稳定放大器。此外，通过史密斯圆图确定源反射系数和负载反射系数小于1的区域。(即和的实部为正的区域) 通过使方程(2-25)和(2-26)为1，在稳定性圆中求解,。其中，稳定性圆的圆心和半径根据下式求得，对于输出稳圆 (2-29) (2-30)对于输入稳定圆 (2-31) (2-32)要确定稳定区域,需要在史密斯圆图中画出稳定性圆。或者说找出能满足和的和区域。 在窄带或宽带应用中，通常情况下微波放大器在特定频段都要面临稳定性问题。一般来说，微波放大器的不稳定性主要由以下三个因素引起的。(1) 晶体管周围的内反馈。(

41、2) 晶体管周围外部电路所引起的外反馈。(3) 在工作频段以外频率点的过增益。2.3 负反馈技术 在超宽带放大器的应用中，负反馈有很多优点。例如增益稳定性高(能抵制工艺过程中各因素的变化及供电电源的变动)、低失真(以增益的牺牲为代价)、在噪声控制及阻抗匹配设计时，通过负反馈网络可以灵活地调节端电阻。此外，在高增益超宽带放大器设计中，可以通过负反馈网络在增益和带宽之间进行折衷。关于负反馈技术,目前存在以下几种类型。 (1) 电阻性反馈 R-C负反馈R-C负反馈电路除了具有一般负反馈的优点外，与电抗性反馈电路相比，在芯片上所占的面积小,因而在超宽带放大器设计中，被广泛应用。然而采用R-C负反馈技术

42、也同样面临着很大挑战。因为放大电路的增益和取决于反馈电路中所有原件的值，R-C负反馈网络对于器件数值的变动很敏感。 R-L-C负反馈在R-L-C负反馈结构中，电感的阻抗值会随着频率的增大而增加。因而，与R-C负反馈相比，随着频率的升高，各个频率点的反馈量将减小。然而，在高频段，大电感的自振频率很低，因而很难实现自振频率高且大数值的电感。 (2) 电抗性负反馈 变压器反馈由于变压器中的损耗相对来说比较小，因而可以通过采用变压器反馈技术来改善放大器的噪声性能。同时，通过片上变压器可以实现绝对稳定的带通反馈网络。然而，采用变压器反馈技术也面临着很多难题。例如芯片面积的增大、设计的复杂性(例如更长的仿

43、真时间和设计周期)。此外，在实际设计过程中，对于变压器反馈，确定一个适当的模型又是一个难题。 L-C反馈通过采用L-C反馈技术来降低电容对放大器频率的影响从而提高电路的稳定性。在我们的超宽带功率放大器设计中，基于同样的原因，在放大器的第二级采用了L-C反馈。基于以上对各种负反馈技术的分析，为了进一步地展宽放大器的带宽和提高放大器的稳定性，在超宽带功率放大器设计的过程中，我们提出了负反馈结构，应用于放大器的第一级。2.4 阻抗匹配 阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份绝对值相等而符号相反。这种