895191623微波放大器的设计与实现毕业设计论文.doc

毕业设计（论文）任务书课题的意义及培养目标： 由于近年来无线通信、卫星通信、全球定位系统、雷达及无线接入系统的发展，新型半导体器件的研制使得高速数字系统和高频模拟系统不断扩张，达到微波频段。微波放大器作为上述系统的前端部分，已经在这些系统得到广泛的应用。而且现在对这些通信系统的要求是通信距离越来越远，接受的灵敏度越来越高，体积越来越小，相应的对微波放大器的基本要求是：（1）频带宽，相位线性好。由于微波晶体管从直流到微波的宽频带范围内都具有放大能力，因此易于实现宽带化。它的带宽主要受匹配网络的限制；（2）稳定性好，可靠性高。通常微波晶体管放大器都是二端口传输型放大器，稳定性和可靠性都比其它类型的放大器要好；（3）噪声低，低噪声微波晶体管放大器的噪声系数可以做的很低，优于行波放大器和隧道二级管放大器的噪声系数；（4）动态范围大，微波晶体管放大器功率增益1分贝压缩点达毫瓦量级，因此动态范围大；（5）体积小，重量轻，耗电少，易于实现标准化和集成化。 通过本设计旨在培养学生独立分析问题、解决问题的能力和综合运用知识的能力，加深对所学基础知识的理解。同时使学生了解本学科的前沿同时掌握必备的基础知识。 设计（论文）所需收集的原始数据与资料：相关资料： 1）微波放大器原理。 2）微波器件使用手册。 3）EDA技术。 4）MATLAB仿真技术。 5）非线性电子线路。 6）阅读2000-2007年国内外期刊相关论文不少于15篇。 课题的主要任务（需附有技术指标分析）： 本放大器是完善DAMB（数字音频媒体广播）系统的室内接入而设计的。由于DAMB接受的是卫星信号，需要把该信号从天线上接下来放大，然后再将放大的信号送给室内发射天线，这样就可以不受高大建筑物的阻挡而实现室内接受。 任务要求： 1、频率范围：1452-1492MHz； 2、增益：G=46dB； 3、噪声系数：Nf-2.5； 4、输入功率：-80dBm； 5、输出功率：-34dBm。 设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周 次设计（论文）任务及要求13学生根据课题的要求联系实习，并进行调研和收集资料。4完成开题报告59学习必要的软硬件知识，进行毕业设计10毕业设计中期检查1112完善设计方案，完成预期的设计目标。1316整理设计结果，撰写毕业论文 学生签名： 日期： 指导教师： 日期： 教研室主任： 日期： 摘 要本文对微波放大器的设计进行了研究。首先介绍了通信的发展对微波放大器的要求，微波晶体管放大器的发展，微波放大器设计的发展。随后分别分析了微波频段的传输线;电阻、电容、电感在微波频段下的特性;微波放大器的设计原理，包括稳定性分析、噪声系数圆、放大器的功率关系和等功率圆;最后设计并实现了微波放大器。本文的工作主要体现在数字音频媒体广播接收系统中1.472GHz的三级微波放大器的设计和实现。详细讨论了用Smith圆图进行电路匹配，并用MATLAB软件进行Smith圆图上等噪声系数圆，等功率圆的绘制。分析了射频扼流圈使用对微波放大器的影响。随后讨论了在实际制作微波放大器时，放大器的接地问题，在PCB上的元器件的布局和元器件之间的电气连接。最后，文中给出了1.472GHz三级放大器的测试系统和测试结果。关键词：微波放大器，Smith圆图，射频扼流圈，噪声系数圆Microwave Amplifier Design And ResearchABSTRACTThis paper deals with the process of microwave amplifier design and research. First, the background, history of microwave transistor amplifier and design technology of microwave amplifier are introduced, along with theory and related knowledge of technology.The author's main research work is focused on the design and realization of three stages microwave amplifier, working on 1.472GHz, used in Digital audio media broadcast. In the design process of amplifier, the author applies the Smith Chart to design match network, and utilizes the MATLAB to plot noise circle and gain circle on the Smith Chart. Then, impact of RF choke on microwave amplifier, good device grounded and device layout and electrical join are analyzed in detail.Finally, the test system and measurement data of three stages amplifier are provided.KEY WORDS: Microwave Amplifier, Smith Chart, RF Choke, Noise Circle目 录摘要IABSTRACTII1 研制背景和意义11.1 通信的发展对微波放大器的要求11.2 微波晶体管放大器的发展11.3 微波放大器设计的发展21.4 本文的主要工作和章节安排22 微波放大器的设计原理42.1 单级放大器的详细模型42.2 放大器的特性指标42.3 微波频段的传输线和元件52.3.1 传输线与波的传播52.3.2 微带线72.3.3 高频电阻高频电容高频电感92.3.4 微波场效应晶体管112.3.5 FET的S参量132.4 微波放大器的设计原理162.4.1 用Smith圆图进行匹配网络的设计162.4.2 放大器稳定性判定202.4.3 噪声系数圆212.4.4 放大器的功率增益分析223 微波放大器的具体实现243.1 设计任务要求及流程图243.2 器件选择及实现方案243.3 设计步骤283.4 放大器电路实际制作需要考虑的其他因素323.4.1 微带线的弯曲323.4.2 射频扼流圈的应用343.4.3 偏置电路的分析和实施364 设计结果及测量数据385 结束语42致谢43参考文献44附录451 研制背景和意义1.1 通信的发展对微波放大器的要求由于近年来无线通信、卫星通信、全球定位系统、雷达及无线接入系统的发展，新型半导体器件的研制使得高速数字系统和高频模拟系统不断扩张，达到微波频段。微波放大器作为上述系统的前端部分，己经在这些系统得到广泛的应用。而且现在对这些通信系统的要求是通信距离越来越远，接收的灵敏度越来越高，体积越来越小，相应的对微波放大器的基本要求是: (a) 频带宽，相位线性好。由于微波晶体管从直流到微波的宽频带范围内都具有放大能力，因此易于实现宽带化。它的带宽主要受到匹配网络的限制。(b) 稳定性好，可靠性高。通常微波晶体管放大器都是二端口传输型放大器，稳定性和可靠性都比其它类型的放大器更好。(c) 噪声低，低噪声微波晶体管放大器的噪声系数可以作的很低，优于行波放大器和隧道二极管放大器的噪声系数。(d) 动态范围大，微波晶体管放大器的功率增益1分贝压缩点达毫瓦量级，因此动态范围大。(e) 体积小，重量轻，耗电少，易于实现标准化和集成化。1.2 微波晶体管放大器的发展微波放大器通常是随着放大器件的生产和工艺技术的改进而发展的。微波晶体管放大器也是如此。它随着微波晶体管的生产和工艺技术的发展而发展，40年代末期，世界上第一只半导体三极管问世，由于其体积小，重量轻，省电等优点，受到了极大的重视。并迅速发展成为固体电子器件的一个重要分支。到60年代中期，由于平面外延工艺的发展，双极晶体管的工作频率跨进了微波频段，出现了微波双极晶体管(BJT)及其相应的放大器。早在1952年，W.肖克莱就提出了场效应晶体管(FET)，但由于当时工艺技术条件的限制，这种管子还未发展成为实用固体器件。直到60年代中期，随着半导体材料和工艺技术的迅速发展，FET不但很快成为实用的固体器件，而且紧跟在双极晶体管之后迅速进入了微波频段，出现了微波FET及其相应的放大器。微波双极晶体管和微波FET并驾齐驱，使微波晶体管放大器的发展日新月异。60年代中期，微波晶体管放大器出现后，由于其频带宽，稳定性好，省电，简单等特点，且其噪声性能也不差，因而很快取代了相应频段的隧道二极管放大器。随着工作频率的提高和噪声性能的改善，到了60年代晚期，微波晶体管放大器开始取代了L和S波段的低噪声行波管放大器。1974年第一个C波段的微波晶体管放大器代替了低噪声行波管放大器投入了军事系统的应用。现在由于技术的成熟再加上微波FET可以达到的工作频率比微波双极晶体管可能达到更高的工作频率，并且前者的噪声系数也比后者低很多，因而在4GHz的频率上几乎都采用场效应管。尤其近几年，随着半导体微电子技术的发展出现了很多性能优越，价格便宜的微波器件从分立元件到MMIC，这些都为工程设计提供了很多选择。再加上近几年无线通信的迅猛发展使得这些器件获得了广泛的应用。1.3 微波放大器设计的发展微波晶体管的内部结构和管壳封装会形成许多寄生参量。由于这些寄生参量的影响，以及双极晶体管的基区和场效应管的沟道分布特性，使他们在微波频率上不便于再用低频电流电压的概念及相应的网络参量(例如，z,y 和h参量等等)来分析。因为这些参量的测量己变的很困难，以致无法测量，这时用波的概念和相应的网络参量来分析较为有利。1965年K·Kurokawa提出功率波和散射参量(或简称S参量)。1967年Bodway用他们来系统地分析微波晶体放大器。微波晶体管尺寸很小，在微波频率上其输入和输出阻抗较低，因此，无论在结构方面，还是在阻抗匹配方面，它都适合于与微带电路等配合应用。在微波晶体管设计思想发展的同时，微波电路计算机辅助设计技术也得到了快速的发展。由于微波电路较难进行微调，在技术性能要求比较严格的放大器中，噪声系数，工作频带，增益平坦度，输入输出驻波比等许多指标不仅要求苛刻，而且各指标互有矛盾，只能依靠计算机辅助设计(CAD)软件来支持。微波电路CAD技术源于60年代末，大都在美国高等学院进行研究。从70年代中期己有商品软件投放市场，这就是早期的COMPACT微波无源和有源电路设计软件。同时国外各大公司的研究机构也自行开发自己使用的程序。进入80年代后，不少微波CAD软件公司相继成立，微波电路设计软件的功能不断增强，作为完整的CAD工具己经成熟，现在市场上流行的微波电路设计软件有Microwave office，安杰伦公司的ADS2002,ansoft公司的serenade等。1.4 本文的主要工作和章节安排本文的主要目的是设计与研制微波波段，射频系统用的微波放大器。作者的主要工作体现在数字音频媒体广播(DAMB)接收系统中的1.472GHz的三级放大器的设计和实现.图1是该放大器的组成框图。图中第一级放大器件是晶体管，第二级和第三级放大器件是单片微波集成电路，MMIC。图1-1 1.472GHz放大器的组成框图该系统接收信号的中心频率为1.472GHz,带宽为40MHz。第一级选用FET放大器，其中输入匹配网络为微带电感和集总电容元件构成，用微带电感和磁珠代替偏置电路里的射频扼流圈。第二级和第三级选用覆盖工作频率范围的微波MMIC代替FET，在第二级和第三级中间使用三阶滤波器，以限制带宽，符合系统要求。现代的微波，射频系统常使用如ADS2002, Microwave office等仿真软件来设计，这些软件价格非常昂贵，使用非常复杂。使得大家接触这些软件的机会很少，因此在设计和制作这个放大器时，使用的是MATLAB和面向Windows的Smith圆图等常用的微波，射频软件。引导专业理论和实际工作紧密的结合。第二章针对微波放大器的设计原理进行了讨论。微波放大器的设计原理是基于微波网络，Smith圆图，传输线，在Smith圆图上的等噪声系数圆，等功率增益圆，等驻波比圆，以及微波频率下电路元件的特性及选择。第三章对放大器的具体实现做了详尽的分析和描述。涉及到具体的设计任务，指标要求，流程图，晶体管的选择，电路的稳定性，噪声系数，匹配网络的设计，微带弯曲，器件接地设计，射频扼流圈的设计，偏置网络，PCB的布局，布线等。还包括最后的测试数据及分析等等。第四章是测试系统和测试数据及分析，最后是总结等。2 微波放大器的设计原理本章建立了单级微波放大器的模型，给出微波放大器特性指标，分析了微波放大器的所用的元器件的高频特性，微波晶体管的二端口网络结构，及微波放大器设计的原理和过程。2.1 单级放大器的详细模型在设计放大器之前先要建立放大器的模型，图2-1是中心频率为1.472GHz的一级放大器的模型，包括直流偏置网络和匹配网络。图2-1 单级放大器的模型图微波放大器与常规的低频电路的设计方法完全不同，它需要考虑一些特殊的因素。尤其是入射电压波和入射电流波都必须与有源器件良好的匹配，以便降低电压驻波比，避免寄生振荡，正是由于这个原因，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，然后根据这些要素才能设计出符合增益，增益平坦度，输出功率，带宽和偏置条件等要求的放大器。2.2 放大器的特性指标一个放大器用下列关键参数来描述它的特性（1）增益平坦度(以dB表示)（2）工作频率及带宽(单位:Hz)（3）输出功率(单位:dBm)（4）直流输入功率(单位:V和A)（5）输入，输出反射系数(VSWR)（6）噪声系数(以dB表示)此外，还需要考虑其他参数，如交调失真，谐波，反馈，以及热效应。这些参数的选择是否合理也都会严重影响放大器的性能。2.3 微波频段的传输线和元件当波长可与分立的电路元件的几何尺寸相比拟时，电压和电流不再保持空间不变，必须把他们看作是传输的波。因为基尔霍夫电压和电流定律都没有考虑到这些空间变化， 因此必须采用传输线的理论来分析。此外电阻，电容，和电感这些元件的电响应开始偏离它们的理想频率特性。微波晶体管也需要专门的理论来分析。本节对传输线与波进行了分析，然后再讨论高频无源器件在微波频率下的特性，最后分析了微波场效应晶体管的结构和它的S参量。2.3.1 传输线与波的传播在微波系统中，传输线的理论是微波电路的基础。根据电磁场理论，低频电路中的导线和分立元件都要作为传输线来处理。从满足基尔霍夫定律要求的集总电路分析到包含有电压波和电流波的分布电路理论的过渡与波长有关。此过渡是在波长变得越来越与电路元件的平均尺寸可比拟的过程中逐渐发生的。根据经验，当分立的电路元件平均尺寸，大于波长的十分之一时，应该应用传输线理论。图2-2是传输线的等效电路，取其中dz段的等效电路如图2-3。图中，是传输线单位长度的电阻，电导，电感和电容。图2-2 传输线等效电路图图2-3 截取的dz段的等效电路传输线上电压电流满足方程式为: （2-1） （2-2）其中,解上面的微分方程得传输线方程的解 （2-3） （2-4）其中特征阻抗为传播常数为，为常数当入射电压波或电流波沿着传输线行进到终端时，如果阻抗不匹配会产生反射电压波或电流波，反射电压波或电流波与入射电压波或电流 入射波 反射波图2-4 入射波和反射波示意图波就会发生波的叠加，产生驻波。用电压驻波比(VSWR)来表示驻波的大小。可以证明， 驻波比，,其中是反射系数，,为负载阻抗。如果电路是理想匹配，即=0。这时VSWR是1， 反之， 在开路线或短路线负载最坏的情况下，VSWR趋于无穷。无耗传输线(=0,=0)在离终端处的输入阻抗为 (2-5)式中为负载阻抗,为相位常数，图2-5 输入阻抗分析当终端短路时，在z处的输入阻抗为，显然，这是一个纯电抗。图2-6 短路传输线输入阻抗的幅度与频率的关系从图2-6可以看到这段线路周期性的短路和开路。换句话说，随着频率的变化，该线显示开路特性或短路特性。当终端开路时，在z处的输入阻抗为:。 (2-6)2.3.2 微带线多数电子系统通常都是采用平面印刷电路板(PCB)作为基本介质实现的。载流导带下面的接地平面可帮助阻挡额外的场泄漏，降低辐射损耗。用PCB可简化在板上的无源和有源器件的连接和降低生产成本。另外，PCB可以通过简单的改变元件的位置和人工调节可调谐电容和电感进行电路的调整。微波放大器是安装在PCB板上的，在微波频率下，还必须考虑蚀刻在PCB上的导体条带的高频特性，这时应将PCB作为微带线来分析。典型的微带线结构如图2-7所示，其中导体带条宽度为w,厚度为t，介质厚度为h。分析与计算微带线的特性阻抗时，一般假设:1)微带线是一种不均匀介质填充的传输线，它虽不能传播真正的TEM模，但它实际传输的模式与TEM模又十分相似，故假设它即为TEM模。2)目前微带电路中导电带条的厚度t一般在5至10微米之间。通常假设t=0。计算微带线特性阻抗时，导体厚度t，和介质厚度h相比可以忽略(t/h<0.005)，特性阻抗的经验公式为( (2-7) (2-8)式中 (2-9)有时为了更精确的计算特性阻抗，必须对前面计算特性阻抗的公式进行修正。导体条带非零厚度的影响近似为导体有效宽度的增加，因为将有更多的边缘场产生，则有效宽度的公式如下: (2-10)其中t是导体的厚度，如果，则；或者如果，则。由上面的公式可以得出，对于窄带的这个影响是很显著的，当宽度大于介质的厚度时，影响几乎可以忽略。周围导体的影响:实际应用的微带电路都置于屏蔽匣内，除接地导体外，离微带线带条的有限距离处还存在着导电边界，这些边界显然会影响电路的性能，影响的程度依赖于微带电路和导电边界的距离。图2-8 屏蔽微带线的截面结构图2-8给出了屏蔽微带线的截面结构，这种结构的微带线问题显然要比没有屏蔽匣时复杂得多。图2-9给出了屏蔽微带线特性阻抗与的关系曲线。图中以屏蔽盖离地面的高度b与基片厚度h之比作为参变量。实际经验表明只要N大于5，顶盖对微带线的影响实际不大。绝大多数实际电路的N值都相当大，因此顶盖的影响通常都忽略。2.3.3 高频电阻高频电容高频电感高频电阻:在高频和微波电路中采用的主要是薄膜片状电阻，该类电阻的尺寸可以做的非常小，所以非常适用。其等效电路如图2-10所示，两个电感L模拟引线，根据实际的引线结构考虑电容效应;电容模拟电荷分离效应;模拟引线间电容。当和标称电阻相比较时，引线电阻常常被忽略。图2-10 高频电阻等效电路图通过引线金属的电导率和几何尺寸可以计算出引线电感，通常引线间电容远小于内部的或寄生电容，在许多情况下可被忽略。知道引线电感之后就可以计算整个电路的阻抗: (2-11)从这个公式可以看出，在低频时阻抗就是R，但是当频率提高到GHz时，这个等效电路就会出现谐振点，如图2-11所示:这时电抗分量就占主要的成分了，所以在挑选电阻元件时要看它的谐振点在哪个频率上，据此需要综合电路的设计图2-11 阻抗的绝对值与频率的关系高频电容:在微波频段，片状电容应用广泛，用于滤波器调谐，匹配网络，和有源元件的偏置等。考虑了电容的寄生引线电感L，引线导体的串连电阻和介质损耗电阻，对应的等效电路如图2-12所示图2-12 高频电容等效电路在理想情况下，电容两个电极之间是没有电流流动的，然而在高频情况下，电介质变成有耗，电容器的阻抗表示成电导和电纳的并联组合: (2-12)加上引线电感和引线电阻后，电容器在高频时也会产生谐振点，如图2-13所示。其高频特性就不完全是单一的电容，所以在设计电路时要综合考虑。图2-13 高频电容的阻抗值与频率的关系高频电感:电感不像电阻和电容那样应用广泛，它通常主要用于晶体管的偏置网络。由于电感常用线圈绕制而成，它除了具有与频率无关的电阻之外，还代表一个电感。相邻位置的线段间有分离的移动电荷，所以有寄生电容的影响。电感的等效电路模型如图2-14所示。寄生旁路电容Cs和串联电阻Rs分别代表寄生电容和电阻Rd的综合效应。图2-14 高频电感等效电路图2-15 高频电感的阻抗值和频率的关系2.3.4 微波场效应晶体管微波晶体管的性能指标与工作频率有很密切的关系，一般来讲晶体管有BJT和FET两种。晶体管经50年的发展得到一系列提高和改进。其范围从仍然流行的双极结晶体管经现代的GaA，场效应管(GaAsFET)到最新式的高迁移率晶体管(HEMT)。虽然一般晶体管常以几百万的个数布放在集成电路中作为处理器，存储器，和外设的芯片的一部分，然而在RF和MW应用中单个晶体管仍然有其重要性。在低噪声，线性和高功率器件装置中许多RF电路仍依赖于分立的晶体管。微波场效应管的工作原理与低频场效应管相同，它是一个电压控制器件。由于它是以多数载流子在沟道中的漂移运动为基础的，因而其工作频率比微波双极晶体管更高，对工作状态变化的稳定性以及噪声性能等都比微波双极晶体管要好。微波FET可分为三大类:绝缘栅场效应晶体管(IGFET)，结型场效应管(JFET)和金属-半导体场效应管(MESFET)，在微波放大器应用中最有吸引力的是MESFET。由于在半导体中电子的迁移率比空穴的迁移率高，因此微波FET都采用n型沟道。由于电子在砷化(GaAs)中的迁移率比在硅(Si)中的迁移率约高5倍，迁移速度约高1倍，所以GaAs-MESFET的特征频率比Si-MESFET的特征频率高1倍。所以，GaAs-MESFET受到更大的重视。按栅极数目的不同，微波FET分为单栅微波FET和双栅微波FET。在双栅微波FET的应用中，在用一个栅极对信号进行放大的同时，可用另外一个栅极实现手动或自动增益控制。下面将以常用的单栅微波FET为例进行分析。微波FET的剖面结构如图2-16所示，为了明确器件各部分的性质和作用，图中同时标出了与各部分相应的集总参数等效元件。图2-16 微波FET的剖面结构在实际应用中，微波FET几乎都采用公源极(CS)电路。CS小信号等效电路如图2-17所示。图中每一个元件都等效于微波FET工作过程中的一个重要的物理现象，通常称图2-16所示的这些元件的数值为微波FET的物理参数，相应的图2-17称为微波FET的物理等效电路。图2-17 微波FET共源极小信号等效电路图中各等效元件得符号的意义如下:Cgs是栅源部分耗尽层结电容，通常为十分之几微微法拉;Cdg是栅漏部分耗尽层结电容，通常为百分之几微微法拉;Cgs+Cdg是栅极与沟道之间耗尽层总电容;Cds是漏极与源极之间的衬底电容，通常为百分之几微微法拉;Cdc是模拟导电沟道中电荷偶极层的电容，通常为百分之几微微法拉;Ri是导电沟道中靠源端部分的沟道电阻，通常为几百欧姆;Rds是漏极和源极之间总的沟道电阻，通常为几百欧姆;Rs是源极串连电阻，它包括源极的体电阻，源极引线接触电阻。通常为几欧姆;Rd是漏极串连电阻，它包括栅极的体电阻，栅极引线接触电阻。通常为几欧姆:Rg是栅极串连电阻，它包括栅极的体电阻，栅极引线接触电阻。通常为几欧姆;Ls,Lg和Ld分别是源极，栅极和漏极引线电感，通常为百分之几毫微亨利;是漏极与源极之间的等效压控电流源，其流向由电压Vc决定，而Vc是栅极电容Cgs上的输入电压;ym是微波FET的小信号转移导纳(小信号夸导);2.3.5 FET的S参量由于微波晶体管封装在管壳内，而管壳产生的射频效应对管子又产生了很大的影响，一个封装的FET的等效电路是很复杂的，因此采用等效电路进行器件性能的分析和电路设计很不方便，由于微波晶体管在小信号作用下是线性器件，可以看作线性两端口网络，因此可用网络参数来表示它的外部特性。虽然网络参数不涉及管芯和管壳的物理结构，但是晶体管参数呈现的性质及其变化规律是由管子内部的物理结构决定的，因而他们是等效的。简单的说，S参量表达的是功率波，它使我们可以用入射功率波和反射功率波的方式定义网络的输入，输出关系，根据图2-18我们可以定义归一化入射功率波和归一化反射功率波，如下: （2-13a） （2-13b）其中下标n为端口编号1或2。阻抗是连接在网络输入，输出端口的传输线特性阻抗。电压根据图2-18关于电压波的方向，可以定义S参量 (2-14)其中符号的定义为： (2-14a) (2-14b) (2-14c) (2-14d)图2-18 二端口网络对于微波FET的S参量,为了简便起见，对图2-17进行简化，将小电容Cdc忽略，但保留对特性有重要影响的反馈电容Cdg，并将原图中的压控电流源变成压控电压源，即可将图2-17简化成图2-19的形式。其中I_1,I_0,I_2分别为三个回路电流。图2-19 微波FET的简化等效电路图中各阻抗及压控电压源分别为: (2-15a) (2-15b) (2-15c) (2-15d) (2-15e) 由图2-19可列出三个回路方程，然后经过一系列推导可得出微波FET的Z矩阵的四个元素分别为: (2-16a) (2-16b) (2-16c) (2-16d) (2-16e)其中Z矩阵为，在图2-19中分别等价于V_1，V_2,I_1,I_2。根据微波FET的物理参量用式(2-16)计算出其Z参量后，然后按网络参量的变换关系式和S参数的定义，把Z矩阵转换成S矩阵， 就可得S矩阵的四个参量: (2-17a) (2-17b) (2-17c) (2-17d)式中 ,为端口的匹配阻抗。通常，我们可以从晶体管的厂家哪里得到S参量，然后根据管子的S参量和己知的负载阻抗和源阻抗，就可求出晶体管的输入和输出反射系数，在这里仍借用图2-18的二端口网络来表示晶体管接上信号源和负载，信号源内阻表示为，负载表示为，从信号源到晶体管的输入端的传输线和从负载到晶体管的输出端的传输线的特性阻抗都是。那么信号源和负载处的反射系数分别为 ： 和 。定义晶体管的输入，输出反射系数分别为和，就可以分别求出和。 (2-18a) (2-18b)2.4 微波放大器的设计原理微波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。尤其是入射电压波和入射电流波必须与有源器件良好匹配，以便降低电压驻波比，避免寄生振荡。正是由于这个原因，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，依据这些要素才能设计出符合增益，增益平坦度，输出功率，带宽和偏置条件等苛刻要求的放大器。2.4.1 用Smith圆图进行匹配网络的设计在微波电路里Smith圆图得到最为广泛的应用，用它可以对电路阻抗的分析，匹配网络的设计及噪声系数，增益，环路稳定性，驻波比等。Smith圆图由反射系数圆族，等电阻圆族，等电抗圆族组成，反射系数和驻波系数在圆图上也有一一对应。如图2-20所示的Smith圆图，点1是圆图的中心点，这点的反射系数为零，在圆图内标注的10,25,50,100,200,500等数字是等电阻圆，在圆图边界上标注的10,25,50,100, 200,500等数字是等电抗线，在圆图边界上标注的。0.2,0.08,0.04,0.02,0.01等数字是等电纳线，在圆图内标注的0.2,0.08,0.04,0.02,0.01等数字是等电导圆，此外在圆图上画出等驻波比为1.5和3的两个圆。在微波电路设计中，匹配网络是很重要的，直接关系到减小功率损耗，减小噪声干扰，提高功率容量和提高频率响应的线性度等。工程设计所追求的两个主要目标:第一是满足系统要求，第二是采用最低的成本和最可靠的方法实现第一个目标。成本最低且可靠性最高的匹配网络往往就是那些元件数目最少的网络。在设计匹配网络时，有两种方法可供选择:(1) 采用解析方法求解(2) 利用Smith圆图作为图解设计工具。第一种方法可以得到非常精确的结果，并适合于采用计算机仿真。然而由于第二种方法并不需要复杂的计算，因而更加直观，容易验证，对于初步设计也比较省时。Smith圆图用于快速并相对精确的设计匹配网络。这种方法的好处在于，其复杂程度几乎与匹配网络的元件数目无关。此外，通过观察阻抗在Smith圆图上的变换过程，我们能体会到每个电路元件对实现特定匹配状态的贡献，而且元件类型和元件参数方面的任何错误都能立即在Smith圆图上反映出来，从而使设计能很直观的进行调整。下面举例说明使用Smith圆图进行阻抗匹配即把匹配到所需要的特定阻抗的过程。图2-21 分立元件的电路匹配示意图对并联一电容C，并联后的总阻抗就与落在同一等电导圆上，如图2-22所示。然后再将一个电感串连在与并联后的总阻抗上，则最终的串连阻抗将沿着等电阻圆移动到期望的阻抗处如图2-22所示。图2-22 阻抗一导纳复合Smith圆图上的双元件匹配网络设计一般来讲，如果要实现最佳功率传输，可以按以下步骤来设计（1）求出归一化源阻抗和负载阻抗。（2）在Smith圆图中过源阻抗的相应点画出等电阻圆和等电导圆。（3）在Smith圆图中过负载阻抗的共扼复数点画出等电阻圆和等电导圆 。（4）找出第二步和第三步所画圆的交点。交点的个数就是可能存在的匹配网络的数目。（5）先沿着相应的圆将源阻抗点移动到上述交点，然后再沿相应的圆移动到负载的共轭点，根据这两次移动的过程就可以求出电感和电容的归一化值。（6）根据给定的工作频率确定电感和电容的实际值。由于任何匹配网络都包含串连