1、實驗七 微波低噪聲放大器的設計與測量一、實驗目的1.了解射頻放大器的基本原理與設計方法。2.利用實驗模塊實際測量以了解放大器的特性。3.學會使用微波軟件對射頻放大器的設計并分析結果。二、預習內容1 熟悉放大器原理等理論知識。2 熟悉放大器設計相關理論知識。三、實驗設備項次設備名稱數量備注1掃頻信號源、示波器1套亦可用標量網絡分析儀2放大器模塊1組 350 BNC及1M BNC 連接線4條4交流電源連接線1條 四、理論分析一個射頻晶體放大器電路可分為三大部分：二端口有源電路、輸入匹配電路及輸出匹配電路，如圖4-1所示。一般而言，二端口有源電路采用共射極（或共源極）三極管（BJT、FET）電路，此

2、外，還包括直流偏壓電路。而輸入匹配電路及輸出匹配電路大多采用無源電路，即利用電容、電感或傳輸線來設計電路。一般放大器電路，根據輸入信號功率不同可以分為小信號放大器、低噪聲放大器及功率放大器三類。而小信號放大器依增益參數及設計要求，可分成最大增益及固定增益兩類。而就S參數設計而言，則可有單向設計及雙邊設計兩種。本單元僅就小信號放大器來說明射頻放大器之基本理論及設計方法。L = OUT *二端口有源電路輸出匹配電路 輸入匹配電路SIN = S11LGOS = IN*GS GL OUT = S22R SR L圖13-1 放大器電路方框圖（一） 單邊放大器設計（Unilateral Amplifier

3、 Design）所謂單邊設計即是忽略有源器件S參數中的S12，即是S12=0。此時可得：IN = S11 及 OUT = S22則放大器之單邊轉換增益(Unilateral Transducer Gain,GTU)為： 其中 假若電路又符合下列匹配條件：S = S11* 及 L = S22*則可得到此放大器電路之最大單邊轉換增益(Maximum Unilaterla Transducer Gain,GTU,max)： （二） 雙邊放大器設計(Bilateral Amplifier Dseign)雙邊設計即是考慮有源器件S參數中的S12，即是S120。此時可得： 及 若利用最大增益匹配法（亦稱共

4、軛阻抗匹配法），則可得 S =IN* 及 L =OUT*經過推導可利用下列公式計算出最佳輸入反射系數Sm和最佳輸出反射系數 Lm ： ，其中 （三） 單邊設計評價因子（Unilateral Figure of Merit , M）在判斷有源元件是否適用單邊設計時，主要看它的評價因子是否夠小。一般而言，當M值小于0.03或-15dB 時即可采用單邊設計。其計算公式如下：最大增益誤差比則為： 其中GT是有源元件的轉換增益(Transducer Gain) （四） 放大器的穩定條件（Stability Criteria）（1） 無條件穩定Unconditionally stable）一個良好的放大器

5、設計電路除考慮增益和輸出入匹配外，還需要考慮放大器在工件頻段中是否為無條件穩定，以避免電路產生振蕩。如圖5-2（a）所示:對于一個放大器電路而言，其有源器件在S=0及L=0情況下，無條件穩定的充要條件為K 1 ， |S11| 1 且 |S22| 1其中K稱為穩定因子（stability factor） （2）條件穩定（Conditionally stable）當有源器件不符合上述無條件穩定的三大規定時，即稱為條件穩定。在此情況下，在輸入端平面及輸出端平面，必存一些不穩定區域，如圖5-2（b）所示:rLcLrScS| |cL| - rL | 1| S22 | 1| |cS| - rS | 1|

6、S11 | 1，|S11| 1，|S22| 1 而條件穩定則是|cS| - rS| 1，|S11| 1 或 |cL| - rL| 1，|S22| 1（A）輸出穩定圓（Load Stability Circle）：半徑 ； 圓心 （B）輸入穩定圓（Source Stability Circle）：半徑 ； 圓心 (五) 設計步驟：步驟一：設定放大器工件頻率(f0)與輸出入阻抗(RS , RL)。一般射頻放大器的輸出入阻抗設定為50。步驟二：根據電源選用晶體三極管，同時設定三極管的偏壓條件(VCE,IC)，決定出在該條件下的三極管的S參數(S11,S21, 12,S22)，并設計適用它的偏壓電路。

7、步驟三：將步驟二所獲得的S參數代入上述公式計算出下列設計參數。穩定因子，K單邊設計評價因子，M最大單邊轉換增益，GTU,max 輸入穩定圓的圓心，CS及半徑，rS 輸出穩定圓的圓心，CL及半徑，rL最佳輸入反射系數 Sm最佳輸出反射系數 Lm步驟四：檢查K值是否小于1。若K值大于1，則為無條件穩定可進行下一步驟。若小于，則須將輸出入穩定圓標示于單位圓的史密斯圓圖上，以便在設計輸出入匹配電路時，避免使用到不穩定區域（如圖5-2(b)）所示。步驟五：檢查M值是否夠小。（1）若M值接近0.03(-15dB)則適用單邊設計，可得 S = S11* 及 L = S22* 最大增益即為GTU,max （2

8、）若M值大于0.03(-15dB)則須用雙邊設計，可得 S =Sm 及 L =Lm 最大增益即為GT,max步驟六：利用步驟五所得S及L設計輸出入匹配電路五、模塊測量1、 對LNA,MMIC放大器的S11及S21測量以了解MMIC放大電路的特性。對LNA,BJT放大器的S11及S21測量以了解射頻BJT放大電路的特性。2、 準備掃頻儀、同軸檢波器、示波器、相關模塊等。3、 測量步驟：一、用標量網絡分析儀的測量方法： LNA的P1端子的S11測量：設定頻段：BAND-4；用DC-1連接線將后面12VDC輸出端子連接起來；對模塊P1端子做S11測量，并將測量結果記錄于表（9-1）中。 LNA的P1

9、及P2端子的S21測量:設定頻段: BAND-4；對模塊P1及P2端子做S21測量，并將測量結果記錄于表(9-2)中。 LNA的P3端子的S11測量：設定頻段：BAND-4；對模塊P3端子做S11測量，并將測量結果記錄于表（9-3）中。 LNA的P3及P4端子的S21測量：設定頻段：BAND-4；對模塊P3及P4端子做S21測量，并將測量結果記錄于表（9-4）中。4、實驗記錄表9-1、9-2、9-3、9-4均為以下此表:二、用掃頻儀、同軸檢波器、示波器、相關模塊的測量方法：微波掃頻儀待測放大器示波器微波同軸檢波器圖5-2 微波濾波器測量方框圖 將示波器打到X-Y擋，掃頻儀掃瞄輸出接示波器的X輸入作為水平頻率線。將掃頻儀射頻輸出接LNA，中心頻率為2600MHz，濾波器輸出接微波同軸檢波器，然后接到示波器Y軸擋。將掃頻儀掃瞄帶寬打到200MHz，帶通濾波器