畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于matlab的rf電路設(shè)計(jì)與仿真

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　基于Matlab的RF電路設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　二○○九 年 五 月</p><p>　學(xué) 院： 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院</p><p>　專 業(yè)： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 信息工程</p><p&

2、gt;　學(xué) 號(hào)： 職 稱： </p><p>　　基于Matlab的RF電路設(shè)計(jì)與仿真</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　該文首先介紹了一般射頻系統(tǒng)，介紹了在射頻（RF）電路設(shè)計(jì)中史密斯圓圖的發(fā)展機(jī)器重要作用，接著介紹了史密斯圓圖的基本構(gòu)成原理，還介紹了晶體管的S參數(shù)。重點(diǎn)介紹了利用MATLAB對(duì)RF

3、系統(tǒng)中放大器模塊設(shè)計(jì)的圓圖仿真，并通過實(shí)例，得到了符合設(shè)計(jì)的圓圖。而且該文對(duì)RF晶體管放大器設(shè)計(jì)的基本理論知識(shí)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，對(duì)放大器的性能指標(biāo)提出定義，同時(shí)還用圓方程描述了穩(wěn)定性、增益、噪聲和電壓駐波比指標(biāo)。并得出結(jié)論，MATLAB可以有效的應(yīng)用在RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，其對(duì)微波電路的圓圖仿真實(shí)現(xiàn)，可以為廣大RF電路設(shè)計(jì)者提供很大幫助。</p><p>　　關(guān)鍵字：射頻系統(tǒng) MATLAB RF放大器 圓圖仿真</

4、p><p>　　Matlab based on the RF circuit design and simulation</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This paper introduces the general RF systems, introduced in the radio frequen

5、cy (RF) circuit design Smith chart an important role in the development of the machine, and then Smith introduced the basic principles of map, also introduced the S-parameters of transistors. Focuses on the use of MATLAB

6、 to the RF amplifier module system design simulation of a round Figure, and through examples, have been designed in line with the circle diagram. And the text of the RF transistor amplifier design of the</p><p

7、>　　Keyword: RF system MATLAB RF amplifier Smith chart’s simulation目 錄</p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)題目要求1</p><p><b>

8、;　　1 引言2</b></p><p>　　1.1課題的研究意義2</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.1射頻技術(shù)現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.2射頻技術(shù)發(fā)展方向3</p><p>　　1.3本文研究的目標(biāo)4</p><p>

9、　　1.4論文結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介4</p><p>　　2 射頻電路設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容6</p><p>　　2.1 一般射頻系統(tǒng)6</p><p>　　2.2 Smith圓圖的構(gòu)成和工作原理7</p><p>　　2.2.1等反射系數(shù)圓7</p><p>　　2.2.2阻抗圓圖7</p><p&g

10、t;　　2.2.3標(biāo)定電壓駐波比9</p><p>　　2.3 散射參數(shù)（S參數(shù)）10</p><p>　　3 RF晶體管放大器設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 放大器的性能指標(biāo)12</p><p>　　3.2 放大器的功率關(guān)系13</p><p>　　3.2.1射頻源13</p>&l

11、t;p>　　3.2.2 轉(zhuǎn)換功率增益14</p><p>　　3.2.3其他功率關(guān)系14</p><p>　　3.3 穩(wěn)定性判定15</p><p>　　3.3.1穩(wěn)定性判定圓15</p><p>　　3.3.2絕對(duì)穩(wěn)定16</p><p>　　3.3.2放大器的穩(wěn)定措施17</p>&

12、lt;p>　　3.4 增益恒定19</p><p>　　3.4.1 單向化設(shè)計(jì)法19</p><p>　　3.4.2 單向化設(shè)計(jì)誤差因子20</p><p>　　3.4.3 雙共軛匹配設(shè)計(jì)法20</p><p>　　3.4.3 功率增益和資用功率增益圓21</p><p>　　3.5 噪聲系數(shù)圓22&

13、lt;/p><p>　　3.6 等駐波比圓23</p><p>　　3.7 寬帶放大器24</p><p>　　4 Matlab的計(jì)算和仿真26</p><p>　　4.1設(shè)計(jì)一個(gè)具有最佳噪聲系數(shù)和預(yù)定增益的小信號(hào)放大器26</p><p><b>　　原理分析26</b></p&g

14、t;<p>　　穩(wěn)定性及最大增益分析27</p><p>　　等功率增益圓設(shè)計(jì)28</p><p><b>　　噪聲系數(shù)分析29</b></p><p>　　4.2用等駐波比設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功率增益和噪聲系數(shù)30</p><p>　　設(shè)計(jì)原理及步驟：30</p><p>　

15、　4.3試驗(yàn)結(jié)果分析33</p><p><b>　　5 結(jié)論34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　附 錄A36</b></p><p>　　MATLAB基本知識(shí)36</p><p>&

16、lt;b>　　附 錄B38</b></p><p>　　B.1穩(wěn)定性判定圓M程序38</p><p>　　B.2等功率增益圓圖設(shè)計(jì)程序38</p><p>　　B.3等噪聲系數(shù)圓圖設(shè)計(jì)程序40</p><p>　　B.4等駐波比圓圖設(shè)計(jì)程序43</p><p><b>　　謝 辭

17、48</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)題目要求</b></p><p>　　基于Matlab的RF電路設(shè)計(jì)與仿真</p><p><b>　　主要研究?jī)?nèi)容：</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是完成基于Matlab的RF電路設(shè)計(jì)與仿真，主要是RF功率放大電路部分，涉及

18、大量射頻電路設(shè)計(jì)的理論知識(shí)。其中，采用Matlab作為主要仿真工具，將所設(shè)計(jì)的RF功率放大電路進(jìn)行性能分析，并完成RF系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　主要任務(wù)及目標(biāo)：</b></p><p><b>　　主要任務(wù)：</b></p><p>　　主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)基于Matlab的RF電路設(shè)計(jì)與仿真，應(yīng)包括以下幾個(gè)方面

19、：.</p><p>　　1、RF電路的基本知識(shí)了解；2、RF電路功放部分的設(shè)計(jì)；3、Matlab中RF工具的了解；</p><p>　　4、RF功放電路性能的分析；</p><p><b>　　目標(biāo)：</b></p><p>　　1、了解RF電路及系統(tǒng)的知識(shí)；</p><p><b>

20、　　2、RF電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3、Matlab工具的使用</p><p>　　4、RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真。 </p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1課題的研究意義</p><p>　　近幾年來，無線通信系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)得到了

21、迅速發(fā)展，并不斷有新技術(shù)出現(xiàn)，主要在于射頻硬件處理技術(shù)的不斷發(fā)展。從第1代模擬蜂窩移動(dòng)通信，到當(dāng)前普遍使用的第2代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信，再到以寬帶、多媒體業(yè)務(wù)為標(biāo)志的第3代移動(dòng)通信，無論從用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)范圍，還是從服務(wù)質(zhì)量上都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。迄今，我國移動(dòng)用戶已超過5億，并高于固話普及率。</p><p>　　當(dāng)今無線通信研究越來越熱，應(yīng)用非常廣泛，使人與人之間的通信更加方便快捷，更具有市場(chǎng)發(fā)展前景，而這些無線通信

22、技術(shù)主要的應(yīng)用是射頻技術(shù)。射頻技術(shù)（Radio Frequency），簡(jiǎn)稱RF。射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡(jiǎn)稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。射頻的基本原理是電磁理論：在電子學(xué)理論中，電流流過導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會(huì)形成磁場(chǎng)；交變電流通過導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會(huì)形成交變的電磁場(chǎng)，稱為電磁波，電磁波可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力

23、。同時(shí)射頻系統(tǒng)還具有不局限于視線，識(shí)別距離比光學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。所以RF射頻技術(shù)在無線通信領(lǐng)域具有廣泛而不可替代的作用。</p><p>　　而射頻功率放大器是發(fā)射機(jī)的末級(jí) ,它將已調(diào)制的頻帶信號(hào)放大到所需要的功率 ,保證在覆蓋區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以收到滿意的信號(hào)電平 ,但不能過于干擾相鄰信道的通信 ,同時(shí)又要盡量地保持放大后的大功率信號(hào)不失真畸變。這些不同方面的要求使得功率放大器的設(shè)計(jì)者要面面俱到地考慮到很多指標(biāo)的平

24、衡 ,射頻功率放大器的設(shè)計(jì)也成為無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵步驟之一。</p><p>　　在微波射頻電路的設(shè)計(jì)過程中，常常會(huì)碰到電路匹配問題，離不開阻抗和反射系數(shù)等參量的計(jì)算，因此會(huì)碰到大量繁瑣的復(fù)數(shù)運(yùn)算，所以常常采用史密斯圓圖來進(jìn)行分析。由于Smith圖解法只是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，方便而又直觀，因而得到廣泛應(yīng)用。Smith圓圖雖然發(fā)展于十九世紀(jì)三十年代，但是直至今日，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的程序中，圓圖依然是電路阻

25、抗分析、匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、噪聲系數(shù)計(jì)算、增益計(jì)算的基礎(chǔ)。Matlab是一種現(xiàn)在被廣泛使用的軟件，具有強(qiáng)大的計(jì)算和仿真功能，如果能夠把它很好的應(yīng)用到RF電路中去，就能有效的減輕工程設(shè)計(jì)的工作量和提高設(shè)計(jì)精度。所以，通過Matlab的仿真來掌握Smith圓圖的應(yīng)用是一項(xiàng)很有意義的工作。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1射頻技術(shù)現(xiàn)狀</p>&l

26、t;p>　　近些年，無線通信事業(yè)經(jīng)歷了從第一代模擬系統(tǒng)（1G）到現(xiàn)已投入使用的第三代移動(dòng)通信3G系統(tǒng)的演變。無線通信技術(shù)升級(jí)到3G時(shí)代后，雙模、多模手機(jī)、高頻基站、無縫切換等技術(shù)逐步成熟。射頻技術(shù)不但應(yīng)用在無線通信上，而且在醫(yī)療上的應(yīng)用也在逐擴(kuò)大范圍。目前，美國處于領(lǐng)先地位，日韓的發(fā)展也在日益精進(jìn)?，F(xiàn)在射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在日常生活中起著舉足輕重的作用。比如安全防護(hù)領(lǐng)域中的汽車防盜、電子物品監(jiān)視系統(tǒng)等，已經(jīng)融入人們的生活而且逐漸不可代

27、替。</p><p>　　1.2.2射頻技術(shù)發(fā)展方向</p><p>　　無線傳輸發(fā)展了近二百年，形成了大量的用戶和產(chǎn)品群，但是，由于氣候的變化和地表障礙物的影響，不能傳輸完美的信息。近代人類發(fā)明了廉價(jià)的高頻傳輸線纜（射頻線），為了追求完美的信息傳輸質(zhì)量，兼顧原有的無線設(shè)備，無線方式有線傳輸開始流行。產(chǎn)生了射頻傳輸這一概念。</p><p>　　射頻是無線信號(hào)的源頭

28、，這一切的美好生活都來自于射頻收發(fā)技術(shù)的不斷演進(jìn)，而且射頻技術(shù)還將繼續(xù)快速發(fā)展下去，畢竟現(xiàn)在只有12%的便攜電子產(chǎn)品帶有射頻模塊，而據(jù)估計(jì)到2030年超過50%的便攜產(chǎn)品將擁有射頻功能，這其中將包括你的手表也許還有你的皮鞋！</p><p>　　射頻技術(shù)的發(fā)展首先要滿足市場(chǎng)對(duì)其提出的主要要求，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化、集成化，并在提高集成度的同時(shí)降低射頻電路的尺寸并降低功耗。在此基礎(chǔ)上，還必須基于數(shù)字電路的發(fā)展，提高射

29、頻電路在多標(biāo)準(zhǔn)、多模式環(huán)境下的應(yīng)用能力，也就是通常所說的“軟件無線電技術(shù)”。</p><p>　　從技術(shù)角度而言，射頻技術(shù)首先還是要從性能上取得提升以滿足各種技術(shù)的需要。隨著寬帶無線系統(tǒng)的不斷推出，系統(tǒng)對(duì)于信道利用率的要求越來越高，這對(duì)信道編碼技術(shù)及空中接口技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。對(duì)于射頻部分來說，則提出了更高的線性度和更低的帶內(nèi)、帶外噪聲指標(biāo)要求。射頻芯片的挑戰(zhàn)還包括更高的接收靈敏度和更低的噪聲系數(shù)，優(yōu)異的性能是對(duì)

30、產(chǎn)品的最基本要求。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)高性能的重要手段就是提高射頻電路的復(fù)雜程度，而射頻電路一般包括收發(fā)器、功放和開關(guān)三個(gè)部分?，F(xiàn)在的射頻電路從根本上來說是以模擬電路為主的混合信號(hào)電路。雖然數(shù)字化是現(xiàn)在射頻電路芯片的一個(gè)趨勢(shì)，但射頻技術(shù)很難離開高性能模擬技術(shù)的支持，因此射頻電路復(fù)雜程度的提高對(duì)射頻芯片體積的減小提出很多挑戰(zhàn)。射頻端必須著重在降低功耗、加速不同工藝的整合及降低成本上努力。這可由兩個(gè)方向來實(shí)現(xiàn)，

31、一個(gè)是采用全新的SPI架構(gòu)，也就是將不同工藝的芯片集成在一個(gè)封裝模塊上，如前端的功放及天線收/發(fā)開關(guān)(swtichplexer)，或?qū)⒐Ψ偶笆瞻l(fā)器放在同一個(gè)基板上(Laminate)做成模塊。另外一項(xiàng)就是將功率放大器的制作工藝進(jìn)步到CMOS，以便與收發(fā)器的芯片相整合，在降低功放的功耗上則應(yīng)設(shè)計(jì)高效率的功放操作，在飽和條件下與前述的極化調(diào)制相對(duì)應(yīng)。本文采用的是前一種方向?qū)崿F(xiàn)的。</p><p>　　電路復(fù)雜度的提升

32、和尺寸的縮小意味著射頻芯片將具有更高的集成度。射頻芯片集成度的提高，射頻電路其他器件數(shù)量的減少，意味著更低的BOM(物料清單)價(jià)格和產(chǎn)品成本、更高的產(chǎn)品穩(wěn)定性和良品率。</p><p>　　射頻技術(shù)主要有：藍(lán)牙射頻技術(shù)、超寬帶、沖激無線電、Wi-Fi、WiMAX和蜂窩廣域通信。</p><p>　　藍(lán)牙無線技術(shù)采用的是一種擴(kuò)展窄帶信號(hào)頻譜的數(shù)字編碼技術(shù)，通過編碼運(yùn)算增加了發(fā)送比特的數(shù)量，擴(kuò)

33、大了使用的帶寬。藍(lán)牙使用跳頻方式來擴(kuò)展頻譜。跳頻擴(kuò)頻使得帶寬上信號(hào)的功率譜密度降低，從而大大提高了系統(tǒng)抗電磁干擾、抗串話干擾的能力，使得藍(lán)牙的無線數(shù)據(jù)傳輸更加可靠。</p><p>　　超寬帶(UWB)是一種無線射頻技術(shù)，支持家電、電腦外設(shè)和移動(dòng)設(shè)備在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)，且功耗非常低。該技術(shù)是無線傳輸高品質(zhì)多媒體內(nèi)容的理想選擇。UWB技術(shù)使用寬帶無線頻譜在短距離(如在家中或小型辦公室中)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)無線技

34、術(shù)相比，它能夠在特定時(shí)段通過無線方式傳輸更多的數(shù)據(jù)。這一特性與低功耗脈沖數(shù)據(jù)交付(pulsed data delivery)功能相結(jié)合，加快了數(shù)據(jù)傳輸速度，同時(shí)也不會(huì)受到現(xiàn)有其它無線技術(shù)(如Wi-Fi、WiMAX和蜂窩廣域通信)的干擾。</p><p>　　沖激無線電(Impulse Radio，IR)是最有希望的超寬帶技術(shù)之一。IR信號(hào)由極窄的脈沖串組成，這些脈沖在時(shí)間上偽隨機(jī)出現(xiàn)。偽隨機(jī)性依靠跳時(shí)碼實(shí)現(xiàn)，跳時(shí)

35、碼的作用是讓發(fā)射信號(hào)隨機(jī)化，有利于用戶分隔和譜成形，以避免竊聽。信號(hào)的調(diào)制方式可以用脈沖幅度調(diào)制(PAM)或脈沖位置調(diào)制(PPM)。為了確保低成本的超寬帶設(shè)備，所有脈沖都具有同一波形。</p><p>　　射頻技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用，目前仍處于開拓狀態(tài)，應(yīng)用還不是很廣，但隨著射頻通信技術(shù)的成熟，未來市場(chǎng)需要巨大，前景廣闊。</p><p>　　1.3本文研究的目標(biāo)</p>&l

36、t;p>　　通過對(duì)RF電路及系統(tǒng)的知識(shí)的學(xué)習(xí)與了解，進(jìn)行RF電路中部分模塊主要是功率放大電路的設(shè)計(jì)，并利用Matlab工具對(duì)設(shè)計(jì)電路的各方面性能進(jìn)行測(cè)試分析。</p><p><b>　　1.4論文結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介</b></p><p>　　第一章為緒論，主要介紹了課題的意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和本文的研究目標(biāo)，以及全文的結(jié)構(gòu)。</p><p>　

37、　第二章和第三章是文章的基礎(chǔ)內(nèi)容，介紹了RF放大器設(shè)計(jì)的原理和工具。特別是第三章詳細(xì)說明了放大器的性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　第四章通過兩種不同的設(shè)計(jì)方法對(duì)放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求。</p><p>　　第五章為結(jié)束語，是對(duì)全文的總結(jié)，以及對(duì)將來研究的展望。</p><p>　　2 射頻電路設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容</p><p>

38、　　射頻（RF）電路的設(shè)計(jì)既借鑒了低頻音頻電路的設(shè)計(jì)方法，又借鑒了微波電路的設(shè)計(jì)方法，但是和這些技術(shù)是有重要差異的。因此，射頻電路的設(shè)計(jì)需要使用一些其他頻率范圍內(nèi)不使用的特殊技術(shù)。在當(dāng)前的應(yīng)用中，射頻的范圍一般指30MHZ到4GHZ。當(dāng)前的多數(shù)無線電活動(dòng)都在這個(gè)范圍內(nèi)發(fā)生。在這個(gè)范圍內(nèi)，工程師必須考慮輻射、寄生耦合，以及電路元件的頻率響應(yīng)。</p><p>　　2.1 一般射頻系統(tǒng)</p><

39、p>　　圖2-1所示的整個(gè)方框圖稱為收發(fā)信機(jī)，因?yàn)樗税l(fā)射機(jī)和接收機(jī)電路以及用單個(gè)天線進(jìn)行通信。典型應(yīng)用是移動(dòng)電話和無線局域網(wǎng)（WLAN）。在這個(gè)配置里，輸入信號(hào)（聲音或從計(jì)算機(jī)來的數(shù)字信號(hào)）首先進(jìn)行數(shù)字處理，然后壓縮，壓縮的目的是為了降低傳輸時(shí)間；最后為了抑制噪聲和通信誤碼，要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)木幋a。</p><p>　　輸入信號(hào)經(jīng)數(shù)字處理后，再通過DAC回到模擬形式。改低頻信號(hào)與本地振蕩器提供的高頻載波信號(hào)

40、組合后，被功率放大器（PA）放大，然后再到天線，天線的任務(wù)是將此編碼的信息作為電磁波向自由空間發(fā)射。</p><p>　　2.2 Smith圓圖的構(gòu)成和工作原理</p><p>　　Smith圓圖是把特征參數(shù)、(傳播常數(shù))、長(zhǎng)度L和工作參數(shù)（反射系數(shù)、阻抗、電壓駐波比）組合成一體，把阻抗平面和反射系數(shù)平面直角坐標(biāo)系映射成為極坐標(biāo)系，采用圖解法進(jìn)行微波傳輸研究的一種專用圓圖。

41、 </p><p>　　2.2.1等反射系數(shù)圓</p><p>　　反射系數(shù)為圓圖基底： （2.1）</p><p>　　直角坐標(biāo)表示為： （2.2）</p><p>　　二

42、者之間的關(guān)系為：， （2.3）</p><p>　　在復(fù)平面上，以原點(diǎn)為圓心，反射系數(shù)為半徑所畫的圓為等反射信號(hào)圓。反射系數(shù)的模和駐波比是一一對(duì)應(yīng)的，故又稱為等駐波圓。因?yàn)?，故全部反射系數(shù)圓都位于單位圓內(nèi)。</p><p><b>　　2.2.2阻抗圓圖</b></p><p><b>　　（2.4

43、）</b></p><p>　　將（1）代入上式，得到：</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p><b>　　式中，</b></p><p>　　其中稱為歸一化的電阻，稱為歸一化的電抗，可以分別化成下述方程：</p><p><b&g

44、t;　　(2.6)</b></p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　上述方程（2.6）和（2.7）在復(fù)平面上分別表示兩組圓：等電阻圓方程、等電抗圓方程。（2.6）式是以歸一化電阻為參變量的一組圓，圓心坐標(biāo)為[R/(R+1),0],半徑為1/(R+1),y圓心軌跡與復(fù)平面正實(shí)軸重合，所有的等R圓相切于點(diǎn)（1，0）。如下圖2-2：&

45、lt;/p><p>　　（2.7）式以歸一化的電抗X為參變量的一組圓。圓心坐標(biāo)為（1，1/X），圓的半徑為1/|X|。圓心坐標(biāo)的軌跡在直線上。所有的等X圓相切于點(diǎn)（1，0）。如下圖2-3：</p><p>　　把阻抗圓圖旋轉(zhuǎn)就可以得到導(dǎo)納圓圖，其構(gòu)成原理和使用方法與阻抗圓圖相似。</p><p>　　2.2.3標(biāo)定電壓駐波比</p><p>　　

46、2.3 散射參數(shù)（S參數(shù)）</p><p>　　S參數(shù)表達(dá)的是功率波，它使我們可以用入射功率波和反射功率波的方式定義網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出關(guān)系。根據(jù)圖2-5，可以定義歸一化入射功率和歸一化反射功率如下：</p><p><b>　?。?.8a）</b></p><p><b>　?。?.8b）</b></p>&l

47、t;p>　　其中下標(biāo)n為端口編號(hào)1或2。阻抗是連接在網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗。（假設(shè)輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗相同。）</p><p>　　變換（8）式可得以下電壓、電流表達(dá)式： （2.9a）</p><p><b>　　(2.9b)</b></p><p>　　若用（8）式表示功率，則物理意義十分明顯：<

48、/p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　若從（9）式中解出正向波和反向波，則可見： （2.11a）</p><p><b>　?。?.11b）</b></p><p>　　這與定義式（8）是一致的，因?yàn)?（2.12）</p><p>　

49、　根據(jù)圖2-5中電壓波方向的規(guī)定，就可以定義S參數(shù)：</p><p><b>　　（2.13）</b></p><p>　　其中符號(hào)的意義為： （2.14a）</p><p><b>　?。?.14b） </b></p><p

50、><b>　　(2.14c)</b></p><p><b>　　(2.14d)</b></p><p>　　由于S參數(shù)直接與功率有關(guān)，因此我們可以采用時(shí)間平均功率來表達(dá)歸一化輸入、輸出波。1端口的平均功率為： （2.15）</p><p>　　其中，當(dāng)輸出端口匹配時(shí)，輸入端口反射系數(shù)滿足如下關(guān)系：

51、 (2.16)</p><p>　　由此1端口的駐波系數(shù)（VSWR）為： (2.17)</p><p>　　我們還可以確定1端口的入射功率： （2.18）</p><p>　　這就是信號(hào)源的最大資用功率。用入射功率與反射功率之和表示的1端口總功率（輸

52、出端口匹配）： （2.19）</p><p>　　如果反射系數(shù)為零，則所有資用功率都注入到網(wǎng)絡(luò)的1端口。2端口情況同1端口。</p><p>　　3 RF晶體管放大器設(shè)計(jì)</p><p>　　射頻放大器與常規(guī)低頻放大器的設(shè)計(jì)方法完全不同，它需要考慮一些特殊的因素。尤其是人射電壓波和人射電流波都必須對(duì)有源器件良好匹配，以便降低電壓駐波比、避

53、免寄生振蕩。所以，穩(wěn)定性分析通常被作為射頻放大器設(shè)計(jì)工作的第一個(gè)步驟。穩(wěn)定性分析以及增益圓、噪聲系數(shù)圓都是放大器電路設(shè)計(jì)所必須的基本要素，依據(jù)這些要素設(shè)計(jì)出符合增益、增益平坦度、輸出功率、寬帶和偏置條件等苛刻要求的放大器。</p><p>　　3.1 放大器的性能指標(biāo)</p><p>　　圖3-1是一個(gè)插入在輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)之間的常規(guī)單級(jí)放大器電路：</p><p&g

54、t;　　圖中，輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)可用于減小有害反射從而增加功率流容量。放大器的指標(biāo)是由其在特定偏置條件下的S參量確定的。以下是放大器特性指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)：</p><p>　　增益及增益平坦度（以dB表示）</p><p>　　工作頻率及帶寬（單位：Hz）</p><p>　　輸出功率（單位：dBm）</p><p>　　直流輸入功率（單位：V

55、和A）</p><p>　　輸入、輸出反射系數(shù)（VSWR）</p><p>　　噪聲系數(shù)（以dB表示）</p><p>　　此外，還需要考慮其他參數(shù)，如交調(diào)失真（IMD）、諧波、反饋以及熱效應(yīng)，所有這些都會(huì)影響放大器性能。</p><p>　　3.2 放大器的功率關(guān)系</p><p>　　為方便研究，假設(shè)兩個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)含

56、在信號(hào)源和負(fù)載阻抗中，依據(jù)功率流關(guān)系考察圖3-2,以下小節(jié)均對(duì)此圖進(jìn)行討論：</p><p><b>　　3.2.1射頻源</b></p><p>　　圖3-2中，信號(hào)源電壓為： （3.1）</p><p>　　對(duì)應(yīng)于的入射功率波(即放大器的入射功率)為： (3.2)</p><p>　　

57、放大器輸入端口的實(shí)際輸入功率為： （3.3）</p><p>　　當(dāng)放大器的輸入阻抗與信號(hào)源的內(nèi)阻符合共軛匹配條件（也即）時(shí)，信號(hào)源到放大器之間有最大傳輸功率。在最大功率傳輸條件下，定義資用功率為：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　3.2.2 轉(zhuǎn)換功率增益</p><p>　　轉(zhuǎn)換

58、功率增益定量的描述了插入在信號(hào)源與負(fù)載之間的放大器增益。</p><p><b>　　（3.5）</b></p><p>　　其中：為負(fù)載反射系數(shù)，為源反射系數(shù)。引入輸入、輸出反射系數(shù)后</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　通常我們用單向化功率增益來近似，單向化功率增

59、益忽略了放大器反饋效應(yīng)的影響（）：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　3.2.3其他功率關(guān)系</p><p>　　負(fù)載端口匹配（）條件下的資用功率增益定義是：</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p>　　另外，功率增益

60、的定義是負(fù)載吸收功率與放大器輸入功率的比值：</p><p>　　(3.9) </p><p><b>　　3.3 穩(wěn)定性判定</b></p><p>　　3.3.1穩(wěn)定性判定圓</p><p>　　放大器電路必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。</p><p>　　我們將放大

61、器視為一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)有S參量及外部終端條件和確定。穩(wěn)定性意味著反射系數(shù)的模小于1。即:</p><p>　　， （3.10a）</p><p><b>　　(3.10b)</b></p><p><b>　　(3.10c)</b></p><p&

62、gt;　　其中，，由于S參量對(duì)于額定頻率是固定值，所以對(duì)穩(wěn)定性有影響的參數(shù)只有和。</p><p>　　考慮放大器的輸出端口，需要建立適當(dāng)?shù)臈l件使等式（3.10b）成立。為此將： (3.11)</p><p>　　帶入（3.10b）整理得輸出端口穩(wěn)定性判定圓的方程：</p><p><b>　?。?.12）</b></p&

63、gt;<p>　　其中，圓半徑為： (3.13)</p><p>　　圓心坐標(biāo)為： (3.14) ， 如圖3-3（a）所示：</p><p>　　同樣，考察放大器的輸入端口，可得輸入端口穩(wěn)定性判定圓的方程：</p><p><b>　?。?.15）</b></p&g

64、t;<p>　　其中，圓半徑為： (3.16)</p><p>　　圓心坐標(biāo)為： (3.17) 如圖3-3（b）所示。</p><p><b>　　3.3.2絕對(duì)穩(wěn)定</b></p><p>　　絕對(duì)穩(wěn)定是指在選定的工作頻率和偏置條件下，放大器在整個(gè)Smith圓圖內(nèi)始

65、終處于穩(wěn)定狀態(tài)。絕對(duì)穩(wěn)定的充分條件是：</p><p><b>　　(3.18)</b></p><p>　　例如考察一個(gè)晶體管的穩(wěn)定區(qū)，其S參量的測(cè)量值為：，由上述公式可計(jì)算出</p><p>　　。由于，該晶體管有潛在的不穩(wěn)定性。我們由附錄B.1的M文件可得到圖3-4如下：</p><p>　　圖3-4中紅色圓為輸入

66、穩(wěn)定性判定圓，藍(lán)色圓為輸出穩(wěn)定性判定圓。從圖上可以看出兩判定圓都落在了Smith圓圖之內(nèi)。由于和都小于1，即Smith圓圖的原點(diǎn)就是穩(wěn)定點(diǎn)，另外有，所以穩(wěn)定性判定圓的內(nèi)部是穩(wěn)定區(qū)。</p><p>　　3.3.2放大器的穩(wěn)定措施</p><p>　　如果在工作頻段內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)管或雙極結(jié)晶體管處于非穩(wěn)定狀態(tài)，則要采取適當(dāng)措施使晶體管進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。已知非穩(wěn)定時(shí)：</p><p&

67、gt;　　和 這表明非穩(wěn)定狀態(tài)有 和。所以，穩(wěn)定有源器件的一個(gè)方法是在不穩(wěn)定的端口增加一個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的電阻。圖3-5給出了輸入端口的電路，要求： 或 (3.19a)</p><p>　　同理，圖3-6給出了輸出端口的穩(wěn)定電路，相應(yīng)條件是</p><p>　　或 (3.

68、19b)</p><p>　　由于晶體管輸入、輸出的耦合效應(yīng)，通常只需穩(wěn)定一個(gè)端口。應(yīng)盡量避免在輸入端口增加電阻元件，因?yàn)殡娮璁a(chǎn)生的附加噪聲將會(huì)被放大。用增加電阻的方法實(shí)現(xiàn)晶體管穩(wěn)定的代價(jià)包括：阻抗匹配狀態(tài)可能被破壞，這將會(huì)產(chǎn)生功率傳輸損失；由于電阻產(chǎn)生的附加熱噪聲，晶體管的噪聲系數(shù)通常會(huì)惡化。</p><p><b>　　3.4 增益恒定</b></p>

69、<p>　　3.4.1 單向化設(shè)計(jì)法</p><p>　　要使放大器獲得預(yù)定的功率增益，如果忽略晶體管自身反饋的影響（），則可以采用（3.7）式定義的單向化功率增益，參考圖3-7</p><p>　　改寫此公式，則： (3.20)</p><p>　　由于增益計(jì)算通常采用dB表示，（3.20）式也寫為：</p><p&

70、gt;<b>　　(3.21)</b></p><p>　　其中和是與輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的增益分量，是晶體管的插入增益。如果和都小于1，且輸入、輸出端口都匹配（即有,），則有最大單向化功率增益，此時(shí)可得： （3.22）</p><p><b>　?。?.23）</b></p>&

71、lt;p>　　和的貢獻(xiàn)可以用它們的最大值來歸一化，即 （3.24）</p><p>　　其中ii=11,22對(duì)應(yīng)于i=S,L。從（3.24）式中求解反射系數(shù)，求解結(jié)果是一族圓，其圓心坐標(biāo)為： （3.25）</p><p>　　圓半徑為： （3.26）即為等

72、增益圓方程。</p><p>　　3.4.2 單向化設(shè)計(jì)誤差因子</p><p>　　單向化設(shè)計(jì)法包含了一個(gè)近似條件，即忽略了放大器的反饋效應(yīng)，或者說反向增益。為了估計(jì)此近似條件產(chǎn)生的誤差，引入單向化設(shè)計(jì)誤差因子：</p><p><b>　　(3.27)</b></p><p>　　在評(píng)估單向化設(shè)計(jì)方案時(shí)，這個(gè)誤差因子

73、應(yīng)當(dāng)盡量小。</p><p>　　3.4.3 雙共軛匹配設(shè)計(jì)法</p><p>　　該設(shè)計(jì)法沒有忽略晶體管的反饋效應(yīng)，匹配信號(hào)源反射系數(shù)為：</p><p><b>　　（3.28）</b></p><p>　　其中和 (3.29)</p><p&

74、gt;　　同理，匹配負(fù)載反射系數(shù)為：</p><p><b>　?。?.30）</b></p><p>　　其中和 (3.31)</p><p>　　在絕對(duì)穩(wěn)定的條件下可導(dǎo)出（3.28）、（3.30）式的解。</p><p>　　由上最佳匹配條件可以表示為：

75、 (3.32)</p><p>　　和 (3.33)</p><p>　　3.4.3 功率增益和資用功率增益圓</p><p>　　對(duì)于設(shè)計(jì)有預(yù)定增益要求的放大器，考慮了輸入、輸出端口互耦效應(yīng)的雙共軛設(shè)計(jì)法有兩種方案選擇。</p><p>　　第一個(gè)方案是

76、采用由（3.9）式定義的功率增益G。此時(shí)假設(shè)源與輸入反射系數(shù)處于共軛匹配狀態(tài)（即），并由此求出負(fù)載反射系數(shù)。這種方法導(dǎo)出的輸入電壓駐波比。</p><p>　　第二個(gè)方案是利用（3.8）式定義的資用功率增益。此時(shí)假設(shè)放大器的輸出端口處于良好匹配狀態(tài)（即），然后通過調(diào)整負(fù)載以便達(dá)到預(yù)定的增益。這種方案導(dǎo)出的輸出電壓駐波比時(shí)，則這種方案就是最佳設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　等功率增益圓方程：

77、 （3.34a）</p><p>　　其中圓心坐標(biāo)為： (3.34b)</p><p>　　圓半徑為： (3.34c)</p><p>　　其中，為比例系數(shù)，其定義為： (3.35)</p

78、><p>　　上述（3.34）式為平面上的等增益圓方程，利用將圓映射為平面上的圓，即：</p><p><b>　?。?.36a）</b></p><p>　　其中圓心坐標(biāo)為： (3.36b)</p><p>　　圓半徑為： (3

79、.36c)</p><p>　　等資用功率增益圓方程： （3.37）</p><p>　　其中圓心坐標(biāo)為： (3.38)</p><p>　　圓半徑為： (3.39)</p><p&g

80、t;<b>　　3.5 噪聲系數(shù)圓</b></p><p>　　對(duì)許多射頻放大器來說，在低噪聲前提下對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大是系統(tǒng)的基本要求。噪聲分析的關(guān)鍵參數(shù)是以導(dǎo)納形式定義的兩端口放大器的噪聲系數(shù)：</p><p><b>　?。?.40）</b></p><p>　　以及等價(jià)的阻抗表達(dá)式：

81、 (3.41) </p><p>　　其中是源阻抗。4個(gè)噪聲參數(shù)是：</p><p>　　最?。ㄗ罴眩┰肼曄禂?shù)，它與偏置條件和工作頻率有關(guān)。當(dāng)時(shí)，可得到最小噪聲系數(shù)。如果器件沒有噪聲，則=1。</p><p><b>　　器件的等效噪聲電阻</b></p><p>　　最佳源導(dǎo)納，與最佳反射系數(shù)的關(guān)系為：<

82、/p><p><b>　?。?.42a）</b></p><p>　　噪聲系數(shù)F： （3.42b） </p><p>　　噪聲系數(shù)圓方程為： （3.43a）</p><p>　　常數(shù)

83、 （3.44）</p><p>　　該圓圓心坐標(biāo) （3.43b）</p><p>　　相應(yīng)的圓半徑為： （3.43c）</p><p>　　所有等噪聲系數(shù)圓的圓心都落在原點(diǎn)與的連線上。噪聲系數(shù)越大，圓心距離原點(diǎn)越近而且圓半徑越大。</p>

84、<p><b>　　3.6 等駐波比圓</b></p><p>　　考察如圖3-8所示的電路原理圖。作為射頻放大器特性參數(shù)的兩個(gè)電壓駐波比為：</p><p>　　和 (3.45)</p><p>　　輸入端口的駐波比（）由輸入端口的匹配網(wǎng)絡(luò)（IMN）確定，而該網(wǎng)絡(luò)又受到有源器件的影響以及由反饋效

85、應(yīng)帶來的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)（OMN）的影響。由于反饋效應(yīng)的存在，輸出端口的駐波比（）既取決于輸出端口的匹配網(wǎng)絡(luò)，也與輸入端口的匹配網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。</p><p>　　輸入功率可以表示為資用功率的函數(shù)（假設(shè)）：</p><p><b>　　(3.46) </b></p><p>　　假設(shè)匹配網(wǎng)絡(luò)是無耗的，則有源器件輸入端口得到的功率與無匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)的情況

86、相同： （3.47）</p><p>　　令兩式相等并解出||則有： （3.48）</p><p>　　方程（3.48）式可以變換為以為自變量的圓方程：</p><p><b>　　(3.49)</b></p><p>　　其中

87、圓心為： （3.50）</p><p>　　半徑為： （3.51）</p><p>　　此處和的下標(biāo)表示輸入端口匹配網(wǎng)絡(luò)的電壓駐波比。</p><p>　　同理：輸出端口的駐波比圓方程如下：</p><p><b>　　(3.52)</b><

88、;/p><p>　　其中圓心為： （3.53）</p><p>　　半徑為： （3.54）</p><p><b>　　3.7 寬帶放大器</b></p><p>　　許多調(diào)制電路和編碼電路要求放大器具有較寬的工作頻帶。在射頻領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)寬帶放大器的主要

89、障礙是受到有源器件增益-帶寬乘積的制約。任何有源器件的增益在高頻端都具有逐漸下降的特征。由于正向增益可能在寬頻帶內(nèi)保持為常數(shù)，所以必須采取補(bǔ)償措施。而且正向增益降低，反向增益增加使得整體增益進(jìn)一步降低，隨頻率改變，噪聲系數(shù)惡化等困難都要在寬帶放大器的設(shè)計(jì)中解決。人們提出了兩種不同的設(shè)計(jì)方法來解決這些問題，有頻率補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋技術(shù)。</p><p>　　頻率補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)在器件的輸入或輸出端不扣引入失配，用于補(bǔ)

90、償由于S參量隨頻率變化產(chǎn)生的影響。負(fù)反饋則是晶體管輸出端口的信號(hào)被耦合回到輸入端口并與輸入信號(hào)反向疊加，使輸入信號(hào)減小。</p><p>　　4 Matlab的計(jì)算和仿真</p><p><b>　　--放大器設(shè)計(jì)實(shí)例</b></p><p>　　在第三章中詳細(xì)介紹了RF放大器設(shè)計(jì)的基本原理與方法，放大器設(shè)計(jì)所必須的基本要素有穩(wěn)定性、增益、噪

91、聲系數(shù)、輸出功率等。用功率增益、單向化設(shè)計(jì)法、雙共軛匹配設(shè)計(jì)法等以及它們?cè)赟mith圓圖中的特征構(gòu)成全面、定量分析RF晶體管放大器性能的基礎(chǔ)。在本章進(jìn)行大量M文件的編寫與應(yīng)用，進(jìn)行Matlab的計(jì)算和仿真，用具體實(shí)例來體現(xiàn)Smith圓圖的優(yōu)越性。Smith圓圖使得等增益圓、等駐波比圓以及穩(wěn)定性判定圓能夠重疊在反射系數(shù)和阻抗參量的圖形上，而且放大器的噪聲分析也可通過將噪聲系數(shù)轉(zhuǎn)換成Smith圓圖上的噪聲系數(shù)圓來分析，這些給我們帶來很大的設(shè)

92、計(jì)方便。</p><p>　　4.1設(shè)計(jì)一個(gè)具有最佳噪聲系數(shù)和預(yù)定增益的小信號(hào)放大器</p><p><b>　　基本條件：</b></p><p>　　已知雙極結(jié)晶體管的直流工作條件為IC=10mA，VCE=6V，工作頻率f=2.4GHz，相應(yīng)的S參數(shù)為：S11=0.3∠30o,S12=0.2∠-60o,S21=2.5∠-80o,S22=0.

93、2∠-15o。</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)低噪聲功率放大器，要求功率增益為8dB，，噪聲系數(shù)小于1.6dB。設(shè)晶體管的噪聲參數(shù)為：=1.5dB，，=0.5∠45o</p><p><b>　　原理分析</b></p><p>　　采用單級(jí)或多級(jí)晶體管電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大是模擬電路理論中重要而且又困難的任務(wù)，下圖4-1中，在輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

94、之間的單級(jí)放大電路設(shè)計(jì)指標(biāo)是由其在特定直流偏置條件下的S參量所確定的。</p><p>　　由設(shè)計(jì)的基本條件中晶體管的S參量顯示，的幅度相當(dāng)大，采用單向化設(shè)計(jì)該放大器顯然不合適，因此采用雙共軛匹配設(shè)計(jì)法。在本設(shè)計(jì)中我們采用3.4.3小節(jié)中雙共軛匹配設(shè)計(jì)法的第一個(gè)設(shè)計(jì)方案：采用等功率增益圓來分析。此時(shí)假設(shè)源與輸入反射系數(shù)處于共軛匹配狀態(tài)（即），并由此求出負(fù)載反射系數(shù)。這種方法導(dǎo)出的輸入電壓駐波比。</p>

95、;<p>　　穩(wěn)定性及最大增益分析</p><p>　　晶體管的穩(wěn)定性取決于根據(jù)（3.18）式算出的k和，本節(jié)實(shí)例條件中計(jì)算結(jié)果為k=1.18，=0.56。由于k>1，且<1，所以晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　利用（3.29）、（3.31）式，可以算出下列參數(shù)：，根據(jù)這些參數(shù)利用（3.28）、（3.30）式可求出雙共軛匹配源反射系數(shù)和雙共軛匹配負(fù)載

96、反射系數(shù)分別為： 和，并繼而求出最大轉(zhuǎn)換增益Gmax =8.4150dB</p><p>　　Matlab主要計(jì)算程序如下：</p><p><b>　　%定義S參數(shù)</b></p><p>　　s11=0.3*exp(j*(+30)/180*pi);</p><p>　　s12=0.2*exp(j*(-60)/180*

97、pi);</p><p>　　s21=2.5*exp(j*(-80)/180*pi);</p><p>　　s22=0.2*exp(j*(-15)/180*pi);</p><p>　　s_param=[s11,s12;s21,s22];</p><p><b>　　% 求穩(wěn)定因子k</b></p><

98、;p>　　[K,delta] = K_factor(s_param)</p><p><b>　　% 求最大增益</b></p><p>　　Gmax=abs(s21/s12)*(K-sqrt(K^2-1));</p><p>　　Gmax_dB=10*log10(Gmax)</p><p><b>　　

99、等功率增益圓設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)輸入端口良好匹配的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中需要利用等功率增益圓。</p><p>　　首先，計(jì)算比例系數(shù)，由（3.35）式知其值為：</p><p>　　其中G=6.31等于8dB的預(yù)定功率增益。將帶入（3.34b）和（3.34c）式，可以在平面上求得等功率增益圓方程的圓心和半徑。求解結(jié)果為和，相應(yīng)的等增益圓圖如

100、圖4-1（a）所示。（M程序文件見附錄B.2）</p><p>　　若預(yù)定增益為7dB，則其Smith圓圖如圖4-1（b）所示：與4-1（a）相比可知增益越小所在的圓域越大。</p><p><b>　　噪聲系數(shù)分析</b></p><p>　　雖然噪聲系數(shù)與負(fù)載反射系數(shù)無關(guān)，但卻是源阻抗的函數(shù)。因此將上述所求的等功率增益圓映射到平面上。應(yīng)用（

101、3.36b）和（3.36c）式可以求出映射后的等增益圓的圓心和半徑為：和。此圓上的任意點(diǎn)都能滿足給定的增益要求。根據(jù)噪聲系數(shù)的指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)中必須也要保證點(diǎn)落在的等噪聲系數(shù)圓內(nèi)。</p><p>　　等噪聲系數(shù)圓的圓心和半徑分別用（3.43b）和（3.43c）式計(jì)算，并由（3.44）算出：，</p><p>　　符合G=8dB,要求的圓標(biāo)在圖4-2中。</p><p&g

102、t;　　注意，在點(diǎn)上可得最大功率增益，然而，在==0.5∠45o點(diǎn)上可得最小噪聲系數(shù)。則最大增益和最小噪聲系數(shù)是不能同時(shí)得到的。</p><p>　　在給定的增益要求下，要減小噪聲系數(shù)，則必須讓沿等增益圓移動(dòng)并盡可能靠近。在滿足要求范圍內(nèi)，任選，則相應(yīng)的負(fù)載反射系數(shù)。由（3.42b）可求得噪聲系數(shù)為F=1.54dB。（M程序文件見附錄B.3）</p><p>　　4.2用等駐波比設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)

103、預(yù)定的功率增益和噪聲系數(shù)</p><p><b>　　基本條件：</b></p><p>　　已知雙極結(jié)晶體管的直流工作條件為IC=10mA，VCE=6V，工作頻率f=2.4GHz，相應(yīng)的S參數(shù)為：S11=0.3∠30o,S12=0.2∠-60o,S21=2.5∠-80o,S22=0.2∠-15o。</p><p>　　利用4.1節(jié)中計(jì)算結(jié)果，

104、在Smith圓圖的平面上畫出的圓。以為自變量畫出的圖形，其中在的圓上移動(dòng)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)原理及步驟：</b></p><p>　　在4.1節(jié)中已求出源和負(fù)載反射系數(shù)分別為和時(shí)可以滿足預(yù)定的功率增益和噪聲系數(shù)，當(dāng)時(shí)采用的是等功率增益圓設(shè)計(jì)法，是在放大器的輸入端口實(shí)現(xiàn)了最佳匹配。但是，輸出端口是不匹配的，其電壓駐波比可由求得，由（3.10c）可知為：

105、 </p><p><b>　　的計(jì)算結(jié)果為：</b></p><p>　　為了改善，可以放寬對(duì)的要求，在輸入端口引入一定程度的失配。如果令，相應(yīng)的VSWR圓畫在圓圖上，如圖4-3所示（M文件程序見附錄B.4）</p><p>　　圓的圓心和半徑可分別由（3.50）、（3.51）式求得，其數(shù)值為。</p><p>

106、　　圓上的所有點(diǎn)都可以用極坐標(biāo)表示：</p><p>　　其中角度的變化范圍是0至，改變將使發(fā)生變化，從而引起以及的變化。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4-4：（M程序文件見附錄B.4）</p><p>　　如圖4-4中大約在時(shí)，達(dá)到最小值1.37。此時(shí)，源反射系數(shù)、輸出反射系數(shù)、轉(zhuǎn)換增益、噪聲系數(shù)如下：</p><p>　　可以看出，以減小增益為代價(jià)，我們使得到了改善。如果增益

107、的降低超出了容忍的限度，則必須同時(shí)調(diào)整源反射系數(shù)和負(fù)載反射系數(shù)。</p><p><b>　　4.3試驗(yàn)結(jié)果分析</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)小信號(hào)放大器的步驟中，我們清楚看到小信號(hào)放大器的增益與噪聲系數(shù)是兩個(gè)相互制約的量，最大增益和最小噪聲系數(shù)是不能同時(shí)得到的，所以在設(shè)計(jì)中我們要注意兼顧原則，在給定的增益要求下，盡量減小噪聲系數(shù)。在采用等駐波比設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)放大器

108、時(shí)，我們由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，雙共軛匹配情況下，輸入、輸出反射系數(shù)都是源和負(fù)載反射系數(shù)（和）的函數(shù)，所以，輸入、輸出等駐波比圓不能同時(shí)畫出，而只能用每次考察一個(gè)的迭代方法調(diào)整和。</p><p>　　從前兩節(jié)放大器設(shè)計(jì)實(shí)例中我們可以清楚看到，其中有大量復(fù)雜的復(fù)數(shù)運(yùn)算，利用Matlab不僅可以實(shí)現(xiàn)精確的計(jì)算，而且可以實(shí)現(xiàn)圖形的仿真。從圖形中可以簡(jiǎn)單方便地看出設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)值。圓圖的仿真也使得設(shè)計(jì)的過程更加圖形化，

109、為我們提供了很大的方便。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　通過對(duì)射頻電路設(shè)計(jì)基本理論的學(xué)習(xí)掌握了一些基本設(shè)計(jì)原理與方法，對(duì)RF放大器進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，并由具體實(shí)例具體分析了幾種設(shè)計(jì)方法，考察了功率放大器的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，如穩(wěn)定性、增益、噪聲系數(shù)等。在具體設(shè)計(jì)中諸多的因素對(duì)放大器的性能都可能產(chǎn)生影響，我們需要慎重考慮，現(xiàn)在只是由程序

110、仿真來觀察所需要的放大器性能，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)操作中，更需要謹(jǐn)慎考慮，其周圍環(huán)境也可能是影響工作性能的一個(gè)因素，所以，在以后的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)中，更需要我加倍努力和實(shí)踐。從設(shè)計(jì)中我覺得用M文件建立的Smith圓圖帶給設(shè)計(jì)非常優(yōu)越的條件，節(jié)省了我很多時(shí)間和精力，而且簡(jiǎn)單易懂，是一個(gè)非常有效的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　由于所掌握的專業(yè)技術(shù)知識(shí)有限，課題設(shè)計(jì)及仿真僅限于基本階段，對(duì)內(nèi)容的分析也不夠完善。這一切都將有待在

111、今后的學(xué)習(xí)研究中進(jìn)一步努力。本論文是主要通過對(duì)RF放大器的設(shè)計(jì)和仿真讓我們來了解一些射頻知識(shí)。未深入研究的問題還有很多，通過此次設(shè)計(jì)，讓我知道了射頻電路設(shè)計(jì)中的困難，也明白了一個(gè)道理就是學(xué)無止境。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　Reinhold Ludwig & Pavel Bretchko：《RF Circuit Desi

112、gn – Theory and Applications》，Upper Saddle River,NJ07458出版社，第464-535頁。</p><p>　　Reinhold Ludwig & Pavel Bretchko (著) 王子字 張肇儀 徐承和 (譯) ：《射頻電路設(shè)計(jì)》，電子工業(yè)出版社，2002年5月第1版，第310-350頁。</p><p>　　梁昌洪 謝擁軍

113、 官伯然：《簡(jiǎn)明微波》，高等教育出版社，2006年07月版。</p><p>　　W.Alan Davis & Krishna K.Agarwal(著) 李福樂 等（譯）：《射頻電路設(shè)計(jì)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2005年9月版。</p><p>　　宋漢斌 陳曉光 王超：《基于Smith圓圖的射頻功放電路的設(shè)計(jì)與分析》[J]，《信息與電子工程學(xué)報(bào)》，2007年12月第5卷 第6期。&l

114、t;/p><p>　　王金川 覃真 韓煜：《射頻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用》[J]，《北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)》， 2007年7月。</p><p>　　胡樹豪：《 實(shí)用射頻技術(shù)》，電子工業(yè)出版社，2004年版，第1～10，95～110頁。</p><p>　　劉志華, 徐紅艷, 李萍：《射頻和無線技術(shù)入門》，清華大學(xué)出版社，2005年版，第1～17頁。</p><

115、p>　　李福樂：《射頻和無線技術(shù)入門》，機(jī)械工業(yè)出版社，2005年版，第1～50頁。</p><p>　　Rowan Gilmore，Les Besser(著）楊芳等譯：《現(xiàn)代無線系統(tǒng)射頻電路實(shí)用設(shè)計(jì)》，電子工業(yè)出版社，2006年11月版，第89-120頁</p><p>　　M.M.拉德馬內(nèi)斯 ：《射頻與微波電子學(xué)》，科學(xué)出版社，2006年3月版，第126-235頁</p&g

116、t;<p><b>　　附 錄A</b></p><p>　　MATLAB基本知識(shí)</p><p>　　MATLAB是一個(gè)容易使用的機(jī)輔分析軟件包，它具有書寫專用程序用于本書中討論問題的數(shù)學(xué)求解和顯示圖解結(jié)果的能力。</p><p>　　執(zhí)行MATLAB后，視窗打開顯示指令行，表示為“>>”,用命令pwd選擇合適的目

117、錄：</p><p><b>　　>>pwd</b></p><p><b>　　Ans=</b></p><p>　　d:\RF\simulations</p><p>　　表示目錄是在d驅(qū)動(dòng)器目錄RF\simulations中能通過指令cd改變不同的目錄，用指令ls或dir列出目錄中

118、的文件名。</p><p>　　以下面程序當(dāng)作例子來分析。這些指令是順序執(zhí)行的，每行的結(jié)尾按Enter鍵。</p><p><b>　　I=5; </b></p><p><b>　　a=0.005; </b></p><p><b>　　N=100;</b></