毕业设计-基于matlab的rf电路设计与仿真

毕业设计-基于matlab的rf电路设计与仿真内容摘要：

  nnnnn IZIZVVV 00 （ ） 图 25 双端口网络 S参数的规定 北京理工大学珠海学院 2020届本科生毕业设计 11 根据图 25 中电压波方向的规定，就可以定义 S 参数： （ ） 其中符号的意义为： （ ） （ ） () () 由于 S参数直接与功率有关，因此我们可以采用时间平均功率来表达归一化输入、输出波。 1 端口的平均功率为： )||1(||21)||1(||21 21102120211 SZVZVP in  （ ） 其 中 ， 当 输 出 端 口 匹 配 时 ， 输 入 端 口 反 射 系 数 11S 满足如下关系：11011112SabVVain () 由此 1 端口的驻波系数（ VSWR）为：||1 ||1 1111SSVSWR  () 我们还可以确定 1 端口的入射功率：2 ||||2121021 aPZV inc  （ ） 这就是信号源的最大资用功率。 用入射功率与反射功率之和表示的 1 端口总功率（输出端口匹配）： )||1(2 ||)|||(|21 2212121i nf1 ininc abaPPP  （ ） 如果反射系数 11S 为零，则所有资用功率都注入到网络的 1 端 口。 2 端口情况同 1 端口。  212221 121121 aaSS SSbb .101111 2  aabS端口入射波端口传输波1202021 2  aabS端口入射波端口反射波2202222 1  aabS端口入射波端口传输波2102112 1  aabS北京理工大学珠海学院 2020届本科生毕业设计 12 3 RF 晶体管放大器设计 射频放大器与常规低频放大器的设计方法完全不同，它需要考虑一些特殊的因素。 尤其是人射电压波和人射电流波都必须对有源器件良好匹配，以便降低电压驻波比、避免寄生振荡。 所以，稳定性分析通常被作为射频放大器设计工作的第一个步骤。 稳定性分析以及增益圆、噪声系数圆都是放大器电路设计所必须的基本要素，依据这些要素设计出符合增益、增益平坦度、输出功率、宽带和偏置条件等苛刻要求的放大器。 放大器的性能指标 图 31 是一个插入在输入、输出匹配网络之间的常规单级放大 器电路： 射 频源输 入匹 配网 络输 出匹 配网 络负载直 流 偏置【S】 Pi n cPLΓSΓi nΓLΓo u t 图中，输入、输出匹配网络可用于减小有害反射从而增加功率流容量。 放大器的指标是由其在特定偏置条件下的 S 参量确定的。 以下是放大器特性指标的关键参数：  增益及增益平坦度（以 dB 表示）  工作频率及带宽（单位： Hz）  输出功率（单位： dBm）  直流输入功率（单位： V 和 A）  输入、输出反射系数（ VSWR） 图 31 常规放大器系统 北京理工大学珠海学院 2020届本科生毕业设计 13  噪声系数（以 dB 表示） 此外，还需要考虑其他参数，如交调失真（ IMD）、谐波、反馈以及热效应，所有这些都会影响放大器性能。 放大器的功 率关系 为方便研究，假设两个匹配网络含在信号源和负载阻抗中，依据功率流关系考察图 32,以下小节均对此图进行讨论： [S]ZLZSVSPi n cΓSb139。 a139。 b1a1b2a239。 a2b239。 Γo u tΓLΓi nPL 射频源 图 32中，信号源电压为： )1(39。 139。 139。 100 sinssss babVZZ Zb  （ ） 对应于 39。 1b 的入射功率波 (即放大器的入射功率 )为：22239。 1|1| ||212 || sinsinc bbP  () 放大器输入端口的实际输入功率为： )||1(|1| ||21)||1( 2222insinsinincin bPP  （ ） 当放大器的输入阻抗与信号源的内阻符合共轭匹配条件（ *sin ZZ  也即 *sin  ）时，信号源到放大器之间有最大传输功率。 在最大功率传输条件下，定义资用功率 AP 为： 图 32 简化的单级放大电路 北京理工大学珠海学院 2020届本科生毕业设计 14 22222||1 ||21)||1(||1| ||21| ** ssinsinsi ncA bbPP sinsin   （ ） 转换功率增益 转换功率增益定量的描述了插入在信号源与负载之间的放大器增益。 )||1)(||1(|| || 22222 SLSALT bbPPG  （ ） 其中： L 为负载反射系数， S 为源反射系数。 引入输入、输出反射系数后 211222212|1||1| )||1(||)||1( SoutL SLT SSG   （ ） 通常我们用单向化功率增益 TUG 来近似 TG ，单向化功率增益忽略了放大器反馈效应的影响（ 012S ）： 21122222212|1||1| )||1(||)||1( SL SLTU SS SG   （ ） 其他功率关系 负载端口匹配（ *outL  ）条件下的资用功率增益定义是： 21122221|1|)|1( )||1(|| Sout SA SSG   （ ） 另外，功率增益的定义是负载吸收功率与放大器输入功率的比值： 22222221|1|)|1( )||1(|| Lin LSSG   () 北京理工大学珠海学院 2020届本科生毕业设计 15 稳定性判定 稳定性判定圆 放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。 我们将放大器视为一个两端口网络，该网络有 S 参量及外部终端条件 L 和 S 确定。 稳定性意味着反射系数的模小于 1。 即 : 1|| L ， 1|| S （ ） 1|1||| 2211   LLin SS () 1|1||| 1122   SSout SS () 其中， 21122211 SSSS  ，由于 S 参量对于额定频率是固定值，所以对稳定性有影响的参数只有 L 和 S。 考虑放大器的输出端口，需要建立适 当的条件使等式（ ）成立。 为此将：ILRLLIRIRIR jjjSSSjSSS  , 222222111111 () 带入（ ）整理得输出端口稳定性判定圆的方程： 222 )()( outIoutILRoutRL rCC  （ ） 其中，圆半径为：|||||| || 2222 2112  S SSrout () 圆心坐标为：2222**1122|||| )(   S SSjCCC IoutRoutout () ， 如图 33（ a）所示： 北京理工大学珠海学院 2020届本科生毕业设计 16 |ΓL | = 1ΓL I|Γi n | = 1 |Γo u t | = 1|ΓS | = 1ΓLRΓS IΓSRCo u tro u tri nCi n| Ci n|| Co u t|（ a ） 输 出 稳 定 圆 （ b ） 输 入 稳 定 圆 同样，考察放大器的输入端口，可得输入端口稳定性判定圆的方程： 222 )()( inIinISRinRS rCC  （ ） 其中，圆半径为： |||||| || 2211 2112  S SSrin () 圆心坐标为：2211**2211|||| )(   S SSjCCC IinRinin () 如图 33（ b）所示。 绝对稳定 绝对稳定是指在选定的工作 频率和偏置条件下，放大器在整个 Smith 圆图内始终处于稳定状态。 绝对稳定的充分条件是： 1||||2 ||||||11||||2112222221121122211SSSSkSSSS () 例如考察一个晶体管的稳定区，其 S 参量的测量值为： , 22211211 SSSS ，由上述公式可计算出 ,||,  outoutinin rCrCk。 由于 1||  ，该晶图 33 复平面 L 上的稳定性判定圆 1|| in 及 复平面 S 上的稳定性判定圆 1|| out 北京理工大学珠海学院 2020届本科生毕业设计 17 体管有潜在的不稳定性。 我们由附录 的 M 文件可得到图 34 如下： 图 34 中红色圆为输 入稳定性判定圆，蓝色圆为输出稳定性判定圆。 从图上可以看出 两判定圆都落在了 Smith 圆图之内。 由于 || 11S 和 || 22S 都小于 1，即 Smith 圆图的原点就是稳定点，另外有 outoutinin rCrC  ||,|| ，所以稳定性判定圆的内部是稳定区。 放大器的稳定措施 如果在工作频段内场效应管或双极结晶体管处于非稳定状态，则要采取适当措施使晶体管进入稳定状态。 已知非稳定时： 1|||| 00  ZZ ZZ ininin 和 1|||| 00  ZZ ZZ outoutout 这表明非稳定状态有   0Re inZ 和  0Re outZ。 所以，稳定有源器件的一个方法是在不稳定的端口增加一个串联或并联的电阻。 图 35 给出了输入端口的电路，要求：   0Re 39。  Sinin ZRZ 或 图 34 k1, 1||  时的稳定性判定圆 北京理工大学珠海学院 2020届本科生毕业设计 18   0Re 39。  Sinin YGY () 有 源 器 件（ B J T o r F E T ）信号源Zi n+ Ri n’ Ri n’Zi n有 源 器 件（ B J T o r F E T ）信号源 Gi n’Yi nYi n+ Gi n’( a ) 串 联 电 阻 （ b ） 并 联 电 阻 同理，图 36 给出了输出端口的稳定电路，相应条件是   0Re 39。  Loutout ZRZ 或   0Re 39。  Loutout YGY () 有 源 器 件（ B J T o r F E T ）负载Zo u t+ Ro u t’ Ro u t’Zo u t有。