（電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專業(yè)論文）k波段衛(wèi)星接收系統(tǒng)前端電路設(shè)計(jì).pdf

東南大學(xué)碩士論文 k 波段衛(wèi)星接收系統(tǒng)前端電路設(shè)計(jì) 研究生：尚束成 指導(dǎo)教師：錢澄副教授 摘要 衛(wèi)星接收系統(tǒng)前端電路是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件，本文主要介紹了一 種k 波段衛(wèi)星接收系統(tǒng)前端電路的毆計(jì)方法，其特點(diǎn)是高增益，低噪聲，低成本， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有望提高整個(gè)接收系統(tǒng)的性能。在接收機(jī)組成方案分析，鏈路計(jì)算及 指標(biāo)( 如噪聲系數(shù)) 分配的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真，給出了各單元 電路( 包括探針式波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器，低噪聲放大器，鏡頻抑制帶通濾波器，分諧 波混頻器，低通濾波器等) 的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果。根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)果，制作了實(shí)驗(yàn)電路， 并進(jìn)行了測(cè)試。 通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析表明，探針式波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器具有插入損耗小，密封 性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易j 二加工的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)插入損耗小于0 3d b ；低噪聲放大器l 二 要采用i i e m t ，設(shè)計(jì)增益目標(biāo)2 4 d b ，噪聲系數(shù)小于1 5 d b ；鏡像抑制濾波器采用側(cè) 邊平行耦合線結(jié)構(gòu)，鏡像抑制大于6 0 d b ，提高了接收系統(tǒng)信噪比并有效抑制鏡像頻 段的干擾；分諧波混頻器的應(yīng)用簡(jiǎn)化了本截設(shè)計(jì)，在毫米波頻段尤其具有吸引力。 在分諧波混頻器的設(shè)計(jì)中，探討優(yōu)化各個(gè)主要組合頻率最佳嵌入阻抗以同時(shí)實(shí)現(xiàn) 最低變頻損耗和良好的匹酉己。在要求的頻段，前端的噪聲系數(shù)小于2 d b ，總增益大 于5 5 d b 。 關(guān)鍵字波導(dǎo)一同軸一微帶轉(zhuǎn)換器低噪聲放大器 鏡象抑制帶通濾波器分諧波混頻器 低通濾波器 東南大學(xué)碩士論文 d e s i g n o ff r o n t e n dc i r c u i to f k b a n ds a t e l l i t er e c e i v e r mseeo a n d id a t e ： s h a n g s h u c h e n g s u p e r v is o r ：a s s o c i a t ep r o f 0 i a nc h e n g a b s t r a c t t h ef r o n t 。e n dc l r c m i si m p o r t a n ti ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nt h i s p a p e r , t h ed e s i g n o ft h ek b a n df r o n t e n dc i r c u i t o f s a t e l l i t e r e c e i v e r ， i sp r e s e n t e di th a sm a n yd i s t i n c ta d v a n t a g e ss u c ha sh i g hg a i n ，l o wn o i s e ，l o wc o s ta n d s i m p l es t r u c t u r e ，m a k i n gi tp r o m i s i n gi n f u t u r e a p p l i c a t i o n f i r s tw eg i v et h e a n a l y s i s o ft h er e c e i v e rf r o n t e n db l o c k d i a g r a m ，l i n kb u d g e t a n d s p e c i f i c a t i o n a l l o c a t i o n ( s u c ha sn o i s ef i g u r e ) t h e n ，a l lt h es u b c i r c u i t s ，i n c l u d i n g l o wn o i s e a m p l i f i e r ，w a v e g u i d e t o m i c r o s t r i pt r a n s i t i o n ，i m a g er e j e c tb a n d p a s sf i l t e r , l o w p a s sf i l t e r ，a n d s u b h a r m o n i cm i x e r ，a r ed e s c r i b e di nd e t a i l sf i n a l l yt h e t e s tc i r c u i t sa r ed e s i g n e d ，m a n u f a c t u r e da n dm e a s u r e d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l ta n de ma n a l y s i ss h o w t h a t p r o b e ”t y p e w a v e g u i d e - t o - m i c r o s t r i pt r a n s i t i o n ，c o m p a r e dw i t ho t h e rt y p e s ，h a st h em e r i to f s i m p l es t r u c t u r e ，g o o dh e r m e t i c i t y a n dl o wi n s e r t i o nl o s s ( 1 e s st h a no3 d b ) ；t h e a m p l i f i e ru s i n gh e m tp r o d u c e sn o i s ef i g u r eo fi 5 d bw i t h8 d bg a i n ；t h e i m a g e r e j e c t b a n d p a s sf i l t e r ，u s i n gp a r a l l e lc o u p l i n gl i n es t r u c t u r e ，c a ni m p r o v en o i s e p e r f o r m a n c e a n de l i m i n a t ei n t e r f e r e n c e ，b ys u p p r e s s i n gi m a g em o r et h a n6 0 r i b ，t h e s u b h a r m o n i cm i x e r w i l l s i m p l i f y l o c a l o s c i l l a t o r d e s i g n ，e s p e c i a l l y i n m i l l i m e t e rw a v eb a n d san o v e la p p r o a c hi s p r e s e n t e di n s u b h a r m o n i cm i x e r d e s i g n ，w h i c h e n a b l e st oe s t a b l i s ht h eo p t i m u ml o a d i n gc o n d i t i o n sf o rt h ed i f f e r e n t s i g n a l st og e tl o wc o n v e r s i o nl o s sa n dg o o dm a t c h i n gs i m u l t a n e o u s l yt o t a ln o i s ef i g u r e o ft h ef r o n t e n di sl e s st h a n2 d bw i t h55 d bo v e r a l lg a i no v e rt h es p e c i f i e df r e q u e n c y b a 力d k e yw o r d s ：w a v e g u i d e t o m i c r o s t r i p l o wn o i s ea m p l i f i e r ， s u b h a r m o n i c m i x e r , t r a n s i t i o n ， m a g er e j e c tb a n d p a s s f i l t e r l o w p a s s f i l t e r l i 東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本天聲瑟所里交鵑攀位論文是蔑令久在導(dǎo)掰豢話下遂舒懿研究工 幸：及取褥的j 匿； 究成 果。盡我所知，除了文中特烈加以標(biāo)注和致謝的礁方步 ，論文中不包含其他入已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲褥東南大學(xué)或騏它教育枧構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)e i 使用過(guò) 的耱翱“寫筏一弱工俸麓鞲恚對(duì)奉騷究掰畿靜任俺貢獻(xiàn)均已在論文中俘了繇確盼說(shuō)霹薺 表永了謝懣。 研究生虢南隸被日期： a 形k ；、o 扛 東南大學(xué)拳位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中鋈科學(xué)技術(shù)信惑磷究漲、墓家鍪書(shū)灌彎彀搽霹本入爨送交學(xué)位論文的 復(fù)印件穗電予文檔，可以采用影印、罐印或其他簸臻4 手段保存論文。本人電子文檔豹內(nèi) 吝毒h 紙質(zhì)淪文的內(nèi)容始致。除在保鬻期內(nèi)的保密論文孫，允誨論文被查閱和借閱，可 以公布( 色鍤稍登) 論文靜全幫袋鬻分蠹客。論文懿公布( 寇旗子登) 嬡毅東鷹大學(xué)器 究生院辦理。 研究生簽名南糨翩憋名：絨眵日期：a 心；、夠 一 查墮奎堂嬰主堂魚(yú)絲苧 緒論 衛(wèi)星接收系統(tǒng)前端電路是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件，它的性能好壞直接影 響著整個(gè)接收系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，決定了系統(tǒng)后面中頻電路指標(biāo)的上限，研制性能良好的 接收系統(tǒng)前端電路是提高整個(gè)系統(tǒng)性能的必然要求。 1 衛(wèi)星通信的發(fā)展現(xiàn)狀 衛(wèi)星通信是當(dāng)前迅猛發(fā)展的重要通信手段之一。其最大的特點(diǎn)是覆蓋范圍火、線 路配置靈活，不受地理?xiàng)l件限制和便于機(jī)動(dòng)。我國(guó)通信衛(wèi)星的研制始于7 0 年代3 3 1 衛(wèi) 星通信工程的實(shí)施，特別經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放十多年的努力，我國(guó)衛(wèi)星通信事業(yè)得到迅速的發(fā) 展，新技術(shù)、新的地球站大量涌現(xiàn)。但是，在衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過(guò)程中，由于種種原 因，目前尚存在一定困難，特別是v s a t 小型地球站沒(méi)備，除天線外，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)幾乎全 被國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)，而且國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品水平的差距正逐漸加大。我國(guó)今后衛(wèi)星通信 技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)為開(kāi)發(fā)新頻段，從現(xiàn)有單一的c 頻段發(fā)展到k u 頻段( 1 4 li g i i z ) ， k a 頻段( 3 0 2 0 g h z ) 、u h f 、l 、s 、x 頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)?？梢?jiàn)，進(jìn)行高頻段的衛(wèi)星系統(tǒng) 電路的研究符合我國(guó)衛(wèi)星通信的發(fā)展要求。 2 接收系統(tǒng)前端電路的研制計(jì)劃和方案 接收系統(tǒng)的前端單元電路主要包括波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)抉器，低噪聲功率放火器，鏡頻抑 制帶通濾波器，分諧波混頻器和低通濾波器。 系統(tǒng)原理圖如下： 接收系統(tǒng)前端電路實(shí)際上是一個(gè)微波級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲汁算公式 f 。，：f + 型+ 玉蘭“+ 瓦w + 等+ 磊扣一u 1u 1 u 2 吒一i g l g 2 - g r 為了減小系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)，需要盡量提高前級(jí)單元電路的增益，并要求前級(jí)單元 電路( 波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器，低噪聲放大器等) 的噪聲系數(shù)盡可能低：而前端單元電路的 增益( 或者插入衰減，變頻損耗) 除了要考慮電路的可實(shí)現(xiàn)性，還要綜合考慮如動(dòng)態(tài)范 圍，穩(wěn)定性，頻率選擇性等因素。 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 系統(tǒng)各單元電路的設(shè)計(jì)方案如下： 波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器所使用的波導(dǎo)是w r 一4 2 型波導(dǎo)。設(shè)計(jì)要求插入損耗小于0 3 d b 低噪聲放大器主要采用a t f 一3 6 0 7 7 高電子遷移率晶體管為放大管，設(shè)計(jì)增益目標(biāo) 2 4 d b ，噪聲系數(shù)小于1 5 d b 。 鏡頻抑制帶通濾波器采用側(cè)邊平行耦合線結(jié)構(gòu)，鏡頻抑制6 0 d b 。 分諧波混頻器考慮到k 波段的混頻器的本振源頻率高，直接采用基波混頻時(shí)，本振 源實(shí)現(xiàn)難度大，所以利用分諧波激勵(lì)混頻器，可以解決本振的困難。 中頻電路主要包括低通濾波放大等環(huán)節(jié)。 微波電路的研制是一件十分繁瑣而又復(fù)雜的事。為_(kāi) r 是人工計(jì)算能簡(jiǎn)便的進(jìn)行，i 往足用簡(jiǎn)化的模型。忽略了一些寄生參數(shù)和邊緣場(chǎng)效應(yīng)，導(dǎo)致理論計(jì)算和實(shí)際電路之間 存在了很大的差別。在選擇了合適的電路結(jié)構(gòu)和器件后，上要依據(jù)試驗(yàn)調(diào)試的結(jié)果反復(fù) 修正電路，從而能滿足預(yù)定的指標(biāo)。面劉n 益復(fù)雜的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用微波電路c a d 沒(méi)計(jì)是必然的選擇。 當(dāng)今的微波電路設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能。能按照微波電路的指標(biāo)綜合出 結(jié)構(gòu)的最優(yōu)電路，能夠根據(jù)設(shè)計(jì)誤差，設(shè)計(jì)環(huán)境等模擬出要求的參數(shù)要求，具有很高的 n i 靠性。 本文采用了微波與射頻電路設(shè)計(jì)軟件a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ( a d s ) 和三維電磁場(chǎng) 的仿真軟件h f s s 。a d s 主要用于微帶電路的仿真和優(yōu)化。i i f s s 主要用于波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換 的二：維電磁場(chǎng)的仿真。 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器 在微波信號(hào)傳輸領(lǐng)域，矩形波導(dǎo)和微帶傳輸線是兩種常用的微波傳輸方式。矩形波 導(dǎo)主要運(yùn)用于大、中功率的微波傳輸。微帶線在微波集成電路和混合集成電路中得到廣 泛應(yīng)用。微波傳輸?shù)脑S多應(yīng)用中，矩形波導(dǎo)和微帶線需要在微波系統(tǒng)中連接，經(jīng)常需要 使用波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器或波形轉(zhuǎn)換器，以使兩種傳輸線間具有良好的匹配連接，從而更 有效的進(jìn)行傳輸。 卜1 波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器的作用 波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器位于系統(tǒng)的最前端，其主要作用是將波導(dǎo)口輸入的電磁波的場(chǎng)信 號(hào)，轉(zhuǎn)換成微帶電路上的路信號(hào)，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和變頻。除了將場(chǎng)信號(hào)變換成路 信號(hào)外，還必須完成從波導(dǎo)的高阻抗到微帶電路的低阻抗的阻抗變換過(guò)程，使得在這一 變換過(guò)程中，信號(hào)能量的損失最小，從而最大程度地將天線送來(lái)的場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成微波低 噪聲放大器輸入端路信號(hào)。 由于波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器處于輸入端，其性能的好壞劉f 系統(tǒng)的噪聲系數(shù)指標(biāo)影響極 大，乃至極大影響整個(gè)接受系統(tǒng)的性能。所以在設(shè)計(jì)中，波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)j t 寸的 優(yōu)化設(shè)計(jì)足重要的部分。 卜2 波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)重點(diǎn) 設(shè)計(jì)k 波段波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)接器，工作頻率為k 波段，考慮使用w r 一4 2 型矩形波 導(dǎo)和5 0 q 微帶傳輸線。要求傳輸插入損耗小于o3 d b 。 在設(shè)計(jì)中，對(duì)下面的問(wèn)題的分析是理論分析的重點(diǎn)： 1 ) 傳輸中的寬頻單模傳輸和低衰減是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)閷?duì)導(dǎo)波工作頻率較高，所 以必須對(duì)元件尺寸進(jìn)行精確優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2 ) 設(shè)計(jì)要求傳輸插入損耗小于o3 d b ，實(shí)現(xiàn)低插損是本設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題也是難點(diǎn)。 在實(shí)物測(cè)試中，系統(tǒng)還可能受到許多外加因素的影響，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果 有差距，因此必須對(duì)各元件尺寸的計(jì)算值進(jìn)行必要的修正。 1 3 設(shè)計(jì)方法的比較和選擇 當(dāng)前，存在著多種形式的波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器，這些波導(dǎo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都能提供寬邊帶性 能( 1 0 2 0 ，低于1 5 d b 的的回波損耗) ，且一般都是低于0 3 d b 的傳輸損耗。各種 轉(zhuǎn)換器又有其各自不同的特點(diǎn)，這里僅作簡(jiǎn)單介紹。 單脊波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖1 1 所示。微帶線的特性阻抗為5 0 q ，而波導(dǎo)的等 效阻抗通常在3 0 0 4 0 0 q 范圍內(nèi)，兩者直接相連，將產(chǎn)生很大反射，結(jié)構(gòu)上也不易實(shí)現(xiàn)。 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖 1 - l 單脊波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器 圖1 - 2 “共線式”波導(dǎo)一微帶過(guò)渡器 “共線式”波導(dǎo)一微帶過(guò)渡器的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 2 所示。過(guò)渡區(qū)共 分為三個(gè)部分：?jiǎn)渭共▽?dǎo)段，混合段及同軸線段。圖1 2 與圖1 1 所示的轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)相 比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固的特點(diǎn)。此外，由于混合段兩端都有突變臺(tái)階，存在著不連續(xù) 電容，因而混合段的阻抗要適當(dāng)?shù)馗哂诮o定值，以起到補(bǔ)償容抗的作用。 y k b 一 言：f t i 嘶節(jié)葑 圖1 - 3 探針式波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器 探針式這種轉(zhuǎn)換系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)用于數(shù)字衛(wèi)星電視接受單元( 又稱高頻頭) 之中。其結(jié) 構(gòu)如圖卜3 所示。其輸入端是一段寬邊為a 、窄邊為b 的矩形波導(dǎo)。波導(dǎo)的輸入口為一 個(gè)同定連接用的法蘭盤( 與天線的饋源相連) 。波導(dǎo)的另一端是封閉的短路面。轉(zhuǎn)換器 的輸出端是一根真徑為2 r 的探針。探針的一頭從矩形波導(dǎo)的寬邊插入，并伸入到波導(dǎo) 之中，另一端與微帶線電路連接。探針的伸入波導(dǎo)適當(dāng)長(zhǎng)度h ，在寬壁正中插入矩形 波導(dǎo)中，如圖l 一3 所示。為使能量能夠單方向傳輸，所以將波導(dǎo)一端( 圖中探針的左端) 短路，短路端與探釧間的距離為，。因?yàn)樵诰匦尾▽?dǎo)和微帶傳輸線中傳播的導(dǎo)波模式不 同，這樣兩個(gè)刁i 同類型的傳輸線連接在一起，因阻抗不連續(xù)必然產(chǎn)生反射。因此，阻抗 匹西己是轉(zhuǎn)接器的重要問(wèn)題。適當(dāng)調(diào)節(jié)h 和，可以得到令人滿意的匹配性能。 在綜合考慮設(shè)計(jì)的易實(shí)現(xiàn)性和實(shí)用性等各方面因素后，選擇了探針型波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn) 換器作為本設(shè)計(jì)的基本模型。設(shè)計(jì)在原有探針型波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)上，加入了段 長(zhǎng)度與矩形波導(dǎo)壁厚度相等的同軸線段作為過(guò)渡，如圖1 4 ( a ) 所示。這段小型同軸線位 于二w r 一4 2 型矩形波導(dǎo)的e 平面波導(dǎo)壁中，其內(nèi)導(dǎo)體圓心與波導(dǎo)寬邊中心線重合。在j 刊 軸線靠近矩形波導(dǎo)內(nèi)腔的一端，同軸線內(nèi)導(dǎo)體伸入矩形波導(dǎo)一適當(dāng)深度b ，作為探針， 探針與波導(dǎo)短路壁的距離為，如圖1 4 ( b 1 所示。這樣便構(gòu)成了常見(jiàn)的矩形波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn) 換。在同軸線靠近微帶線的另一端，其內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)基片，與基片表面的5 0 q 微帶線垂 直焊接，以構(gòu)成同軸到微帶的轉(zhuǎn)換。至此便構(gòu)成了矩形波導(dǎo)一同軸一微帶傳輸線結(jié)構(gòu)形 式的探針型波導(dǎo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 6 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 糠幫攫 髓鞋凌釜片 粥鼉 字哉曩 l * ，j i 擎艄 摩乏 雨 i 軸! 圖l - 4 矩形波導(dǎo)一同軸一微帶轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 需要注意的是： ( 1 ) 當(dāng)選取適當(dāng)?shù)耐S線尺寸比例，如圖l 一4 ( c ) 所示，使得同軸線與5 0 q 微帶線阻 抗匹配。 ( 2 ) 選取適當(dāng)?shù)模cd 值，使得從同軸線向( 與波導(dǎo)) 連接處看去的阻抗接近于同軸 線特性阻抗，從而得到匹配。 ( 3 ) 由于w r 4 2 型矩形波導(dǎo)中只能傳輸珥。波，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，為了減小兇l 司軸線 高次模導(dǎo)波而產(chǎn)生的反射，必須對(duì)同軸線尺寸進(jìn)行適當(dāng)設(shè)定，以抑制高次模，使同軸線 達(dá)到t e m 單模傳輸。 ( 4 ) 為了提高封裝性能，減小電磁波泄漏，應(yīng)在微帶線上方增加尺寸合適的屏蔽金 屬盒體，如圖1 4 f b l 所示。 卜4w r 一4 2 矩形波導(dǎo)分析 w r 一4 2 矩形波導(dǎo)的橫截面為封閉的金屬框，因此在其橫截面上不存在與靜態(tài)電磁場(chǎng) 相同的場(chǎng)分布，亦即v ；豆0 ，v ；霄o ，因而沿波導(dǎo)縱向( z 方向) 只能傳播t e 波或 t m 波，而不能傳播t e m 波。 由電磁波理論可知，矩形波導(dǎo)中導(dǎo)波的截止波i j = = 為： z 7 9 心2 瓦 2 空氣填充的w r 4 2 型矩形波導(dǎo)，波導(dǎo)尺寸a = 1 06 7 r a m ，6 = 43 1 8 m r n ( 波導(dǎo)尺寸查產(chǎn)品手冊(cè)可知) ，則 ( 以) 甌。= 2 b = 8 6 3 6 ( m m ) ( 五) 啦。= 甜21 06 7 ( m m ) 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 疋) 強(qiáng)：= b = 43 1 8 ( r a m ) ( ，咆k 。= 番 8 ( 刪 對(duì)矩形波導(dǎo)t e 波或t m 波分析可知，對(duì)于不同模式的導(dǎo)波具有不同的截止頻率和 截止波長(zhǎng)。只有工作頻率大于該模式的截止頻率的電磁波，亦即工作波長(zhǎng)小于該的模式 截l 上波長(zhǎng)的電磁波，才能在其中形成導(dǎo)波。，欲使導(dǎo)波在w r 一4 2 型波導(dǎo)中傳播，必須工 作頻率大于截止頻率( ， 正) ，或者工作波長(zhǎng)小于截止波長(zhǎng)( 兄 九) 。設(shè)計(jì)工作頻率為k 波段，那么由這里可以看出在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)只有，。波可以傳播，其他模式的導(dǎo)波均 被截止，事實(shí)上形成了碣。波的單校傳輸。 圖l - 5 矩形波導(dǎo)中珥。波的電場(chǎng)分翔 卜5 同軸線中的導(dǎo)波分析 同軸線在結(jié)構(gòu)上屬于雙導(dǎo)體類的傳輸線，在橫截麗上能建立起與靜電場(chǎng)相似的電磁 場(chǎng)分布，因此在同軸線中可傳輸t e m 波，當(dāng)然也可以傳輸。1 1 2 波或t m 波。究竟哪種模式 的導(dǎo)波能在同軸線中傳輸，決定于同軸線的尺寸和電磁場(chǎng)的頻率。 欲使導(dǎo)波在同軸線中傳播，必須滿足：丑 丸，由于在同軸線中，對(duì)于t e m 波 女，= 。= 。，則屯= 等。m ，所以，t e m 波成為同軸線中導(dǎo)波的主模。同軸線中t e m 波 的電磁場(chǎng)為 腳峨礬e 虬玩喪i n p 1 “ “_ 5 - 2 ) 、f 三= 其中如= 0 ，因此，t = = k = 歷 同軸線的特性阻抗與同軸線內(nèi)外徑有關(guān)，在波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器中必須選取適當(dāng)?shù)某叽?，?膽 旦e ee 一 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 之與5 0 q 微帶線匹配。同軸線中除了傳輸t e m 波主模之外，當(dāng)工作波長(zhǎng)與同軸線尺寸 滿足一定關(guān)系時(shí)，其中也有可能傳輸t m 波與t e 波，因?yàn)樵趉 波段的工作頻率下，w r 4 2 型波導(dǎo)中只能傳輸陋波，在設(shè)計(jì)中，為了消除由于導(dǎo)波模式的不匹配而產(chǎn)生的反射以 盡可能的減小傳輸損耗，所以必須選擇合適的同軸線尺寸來(lái)抑制高次模的傳輸，保證1 1 e m 單模傳輸。 工作波長(zhǎng)與同軸線尺寸關(guān)系應(yīng)滿足： d 要( 6 + 酣) ( 1 - 5 3 ) 同軸線中t e m 波的截止波長(zhǎng)為無(wú)限大，因此t e m 波為主模，在導(dǎo)波的高次模式中 截止波長(zhǎng)最大的為陋模，因此欲使同軸線中導(dǎo)波單模工作，只要滿足： 1 6 探針激勵(lì)器的輸入阻抗 在同軸線一矩形波導(dǎo)激勵(lì)器中，利用格林函數(shù)法計(jì)算輸入阻抗。這種激勵(lì)結(jié)構(gòu)如圖 1 6 所示。圖中同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑為2 足，外導(dǎo)體內(nèi)直徑為2 心。內(nèi)導(dǎo)體經(jīng)波導(dǎo)寬壁垂直 插入波導(dǎo)，形成一個(gè)激勵(lì)探針，其穿伸深度為h ，沿x 軸坐標(biāo)為x 。a 波導(dǎo)一端短路，目 的是使功率向一個(gè)方向傳輸，短路面與探針距離為，。調(diào)整 ，l 及，三個(gè)尺寸，n j 使同 軸線的輸入阻抗等于同軸線的特性阻抗，從而獲得阻抗匹配。 圖1 6l 司軸波導(dǎo)激勵(lì)器 可以設(shè)定： l ，同軸線與波導(dǎo)寬壁的交接面上有一個(gè)環(huán)形裂縫，確保這個(gè)環(huán)形裂縫表面上場(chǎng)強(qiáng)均為 t e m 模，高次模式的導(dǎo)波均被抑制，其場(chǎng)強(qiáng)可以忽略不計(jì)。環(huán)形裂縫橫截面上同軸 線電壓為v ，電流為i ，輸入阻抗為z ， 故輸入復(fù)功率= 去w + = 寺z ，。1 邛 ( 1 - 6 1 ) 2 環(huán)型裂縫上等效磁流和等效電流產(chǎn)生的輻射可略去不計(jì)，當(dāng)裂縫甚窄時(shí)這個(gè)假定是 成立的。 3 波導(dǎo)中各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)由探針表面電流激發(fā)。探針表面電流密度按正弦分布 末南大學(xué)碩士學(xué)位論文 。) = 哆j m 。s i n k ( h 一兒) ( 1 6 2 ) 厶。、為腹點(diǎn)表面電流，y o 為探針表面各點(diǎn)沿y 軸坐標(biāo)。：孥上式兩端乘2 療屬得探針 九 表面總電流為 ，( 。) = o ，f s i n k ( h y 。) ( 1 6 3 ) 當(dāng)兒= 0 ，的環(huán)行裂縫平面上探針表面電流的校為，= l 。、s i n k h ( 卜6 4 ) 根掘上述設(shè)定，如果能設(shè)法找出探針表面電流產(chǎn)生的復(fù)功二簪，并令其等于式 ( 卜6 一1 ) ，則輸入阻抗可以求出。下面應(yīng)用格林函數(shù)法求解。 由于場(chǎng)源電流l ，只有一個(gè)y 分量，故矢量磁位一。也只有一個(gè)y 分量爿。 刈于( ，y o ，乙) 點(diǎn)的單位電源來(lái)說(shuō)，有 v ：爿。十女2 a 。= 一a ( x 一) 占( y 一) 占( z 一：o ) ( 1 - 6 5 ) 代表上式解的格林函數(shù)與下列齊次亥姆霍茲方程的解相似 v 2 爿。+ 后2 a 。= 0 ( 1 - 6 6 ) 因?yàn)樵谕粋€(gè)波導(dǎo)內(nèi)，邊界相同。上式可 j 分離變量法解出，分離系數(shù)根據(jù)邊界條件確 定，略去中問(wèn)步驟，直接寫出結(jié)果如下： 當(dāng)z 0 ，爿= ks i n 竺x c o s - 門7 石y e - j 以一 ( 1 6 7 ) 當(dāng)z10 a 。：ks i n 竺x c o s 孚y e 脅 ( 1 - 6 8 ) 尾，為相移常數(shù)熊，= k 2 一( r a n ) 2 一( 竿) 2 ( 1 6 9 ) 故代表式( 1 6 - 5 ) 的解的格林函數(shù)為 當(dāng)：o ，g ( ，z 。慨z ) = s i n 竺ax c 。s _ n 6 n ，v e w ( 1 - 6 1 0 ) 當(dāng)刪，g ( x o 乩z 小川= c ： l 掃n 等砌s 等尸眠， 6 11 ) 住z o 范圍內(nèi)，由于波導(dǎo)一端短路，產(chǎn)生全反射，既有正向波，又有反向波，故格林函 數(shù)為 g ( k ，y o ，己l y ，y ，。) ；j c 。s i n 竺x g o s 竿j ，s i n 尾，( ，+ z ) ( 1 6 1 2 ) 式中e ，。及d ：。為待定常數(shù)，他們是單位點(diǎn)源所在點(diǎn)坐標(biāo)( x o ，y o ，z 。) 的函數(shù)。在探針兩側(cè)， 場(chǎng)強(qiáng)是連續(xù)的，故格林函數(shù)也是連續(xù)的，令z = 毛，式( 1 - 6 1 0 ) 與( 1 - 6 1 2 ) 相等，得 常數(shù)c ：。及d ：。有下列關(guān)系： j c 2s i n 盧。+ ，) = 跣。p 1 嘶 ( 1 - 6 1 3 ) 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 把式( 1 6 一1 0 ) 、( 1 6 - 1 1 ) 代八瓦( 1 - 6 - 1 2 幾且有 要o ；v 叫竺a ) 2 g等_ _ ( 2 g 一 洲“ 0 得( 蕓+ 羼。) g ：占( x - x o ) 莎( y - y 0 ) 占( = 一氣) ( 1 6 1 4 ) 對(duì)格林函數(shù)g 進(jìn)行i f 弦和余弦的雙重變換，得 ( 參+ 成”) i o i ：) gs i n 等s 等砂痧 。彤， = e 知等s 了* t g _ y 砸一x o ) 8 ( y 強(qiáng)) 酢_ 蚴 令 啪) = r ：g s i n 等凇s 等腳( 1 - 6 1 6 ) 則式( 1 6 - 1 5 ) 化作 ( 筆+ 成。) 毛。( z ) = s i n 一# 7 吒c o s 竿虬a ( z - z o ) ( 1 毒17 ) 出a0 上式兩邊對(duì)z 積分，積分上、下限分別為z 。+ 及一a ，且- 0 ，得 生妒恒+ 成。g ( z 地= s i n 等c 。s t 舫y o ( 1 - 6 - 1 8 ) 由于探針場(chǎng)強(qiáng)g 連續(xù)，故矢量磁位4 ，格林函數(shù)g 以及g 的正弦和余弦雙重變換均連 續(xù)，故上式等號(hào)左端第二項(xiàng)等于零。式( 1 6 - 1 8 ) 化作 坐掣f ! ：s i n m 2 r x oc o s 2 ”- 虬 (1_619)i虎 。o ab ?！?4 - , 2 ( 1 ，6 - 1 0 ) 、( 1 6 - 1 2 ) 分別代入( 1 - 6 1 9 ) 得 當(dāng)= ! z 。， “妒，r r 吼n 2 ( m 。丌x ) c o s2 ( 等咖1 。出妙( 1 - 6 - 2 0 ) = d 。e 一5 當(dāng)；：。， 。，( ：) = j c ；。r r s l n 2 ( m 。萬(wàn)r ) c o s 2 ( b y ) s l n 蹦z + o & d y ( 1 - 6 - 2 1 ) = j c 。s i n p 。( = + ，) 式中 。；d 2 旦2 e o 。巳一一一瓦a b ( 1 - 6 - 2 2 z p o ” 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 當(dāng)t t = 0 ，e 0 。= 1 。當(dāng)胛o ，e o 。= 2 。 式( 1 6 2 0 ) 、( 1 - 6 2 1 ) 對(duì)z 微分，得 生攀i五：一jfld,e-jaz 。u 掣卜- 0 砘巴一s m ”，) ( 1 6 - 2 3 ) ( 1 6 2 4 ) ( 1 6 2 5 ) 代入式( 1 6 - 1 8 ) 得 1 風(fēng)陂。e 1 騙一c m , , c o s 7 j ”，) = s i n 等”s 等兒 ( 1 _ 6 - 2 6 ) 聯(lián)解式( 1 6 - 2 6 ) 與( 1 6 1 3 ) 得 c 刪 d i n 丟s i n 竺竿y o e - j x o c o s 蹦v ) 東郵了 了 ( i - 6 2 7 ) - - 麥e ) p = s i | - - 警v o s 了t 艫i n ( “) ( 1 - 6 _ 2 8 ) 上式代入( 1 - 6 2 2 ) 、( 1 - 6 。2 3 ) 求出c 。及d ：一然后由( 1 - 6 1 0 ) 及( 1 - 6 1 2 ) 得 矢量格林函數(shù)為： ：氣，石( _ ，y 。，z 。k y ，z ) ( 1 - 6 2 9 ) 一吼吼去喜喜等- j p - 7s i n c 。s 等兒s i n 等z c 。s 等歸n 風(fēng)一c z o + 1 礦帆= ( 1 6 3 0 ) q ，吼去喜喜靜1 u s i n 等c 。s 了t fy 。s i n 等拋。s t ”y s , n 3 , 犯“矽腮 則波導(dǎo)內(nèi)各點(diǎn)的矢量磁位a 。為 爿，= m j g ( g ，y o ，z 。，：) 戡( 1 - 6 - 3 1 ) 這單s 。為探針表面的面積，j 為探針表面電流密度，如式( 1 - 6 2 ) 所示，( x 。，y 。，z o ) 為 探針表面各點(diǎn)坐標(biāo)，g 為格林函數(shù)，如式( 1 - 6 3 0 ) 所示。在下列兩個(gè)條件下，格林函 數(shù)可以簡(jiǎn)化。 l ：探針輻射波的模式為矩形波導(dǎo)的主模珥。令m = 1 ，門= 0 代入( j 一6 - 2 9 ) 、( 1 6 3 0 ) 得到相應(yīng)的格林函數(shù)如下： 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 當(dāng)z z 0 當(dāng)：z g ( x o ，y o ，z 。fz ，少，z ) = _ = ； p 一鷴。2s i n 三xs i n 互s i n 屬。( 毛+ ，弦一，矗f 口鶘。 盯a ” “”7 g ( x o ，y o ，：。j r ，y ，z ) = j 三_ g 一堝。7s i n 竺xs i n 蘭s i n 屈?？? ，弦7 n m 口6 崩。 日口” 、 ( 1 6 3 2 ) ( 1 6 3 3 ) 2 ： 設(shè)定探針較細(xì)。表面上各點(diǎn)坐標(biāo)( x 。，y o ，乙) 皆可近似地用探針中心坐標(biāo)代替。取 探針中心所在平而為z 軸起點(diǎn)，故z , 0 = 0 ，x 0 = x 。代入式( 1 - 6 3 2 ) 、( i - 6 3 3 ) ，到探 針表面的格林函數(shù)為 g = _ 二三8 8 。7s i n 2 ( 三x ) s i n 島o z( 1 - 6 3 4 ) a b 4 , 。 、口 為了找出探針表面向波導(dǎo)輻射的復(fù)功率，從而求出同軸線的輸入阻抗，必須先求 出探針表面的場(chǎng)強(qiáng)分量。式( 1 - 6 2 ) 指出，矢量磁位只有一個(gè)y 分量，即a 。，且由j 波源電流j 和格林函數(shù)均與觀察點(diǎn)坐標(biāo)y 無(wú)關(guān)，故a 。岜與y 無(wú)關(guān)，即 塑：o ：氅：o 卻卻2 將上式代入式( 1 - 6 11 ) 、( 1 - 6 1 2 ) ，展開(kāi)后得 e 。= 一j c o a ，巨= e = 0 ( 1 6 3 5 ) 以：土竽 “ 一：土墮 a 蕊 ( 1 6 3 6 ) 爿一20 【1 6 - 3 7 ) 探針表面向波導(dǎo)輻射的復(fù)功率等于同軸線輸入的復(fù)功率，故由式( 1 6 1 ) 得 i ，f = 吉f f 。( e 刪) ，娼( i - 6 - 3 8 ) 這里e ，h 為探針表面場(chǎng)強(qiáng)，a r 為表面單位法線矢最，方向從金屬指向空氣，以= 一1 1 。 為了計(jì)算方便起見(jiàn)，采用局部圓柱坐標(biāo)如圖1 6 所示。探針表面各點(diǎn)坐標(biāo)為( 喝，甄，y 。) ， d s o = 1 d 吼方。，令場(chǎng)強(qiáng)用圓柱坐標(biāo)分量表示，得 苧亙查蘭塑主蘭絲堡苧 斟1 6 探針表面局部坐標(biāo) 故 日；= 一d ；x a r ( e x h + ) ，= 毛；+ ：) q ( e ，h ：) q 由探針表面邊界條件得 一q 月：= ，： 則 圭乙，i ，1 22 圭f f 。( e x + ) q 蛾= 一圭l e ( a q d 咒 = 去n e 4 d s 。( 1 - 6 - 3 9 ) 拘式( 1 6 2 ) 、t 1 - 6 3 4 ) 代八( 1 - 6 3 1 ) 及( 1 6 3 5 ) ，得 弓= j c o a y j 掣屯。g r r 4 s i n k ( h y o ) n , d 妒o d y o 一掣i m , 。g 2 s i n2 ( 爭(zhēng) 由式( i - 6 3 9 ) ，得 丟互。 = 妻互。a x s i n z 砌 = i 島j h j2”。，m。sink(hyo)rld(口odyf,0 0 jj “ = 丟。( 氅22 “m 尼 、7 將( 】一6 - 4 0 ) 式代入上式，解出同軸線輸入阻抗表達(dá)式為 z ，。= j r + i x , 矗= 彘礬爭(zhēng)n 2 ( s - n 2 剛 ( 1 6 4 0 ) ( 1 6 4 1 ) ( i 一6 4 2 ) ( 1 6 。4 3 ) 論贏識(shí)n 2 ( s i n z 雕( 1 - 6 - 4 4 ) 卜7 微帶線和同軸線設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算 根據(jù)工程常用材料設(shè)定，基片厚度為8 m i l ( 0 2 0 3 2 m m ) ，基片相對(duì)介電常數(shù)為3 3 8 ， 銅質(zhì)導(dǎo)帶厚度2 m i l ( 0 0 5 0 8 m m ) ，介電常數(shù)為5 8 8 e 7 ，損耗角設(shè)為0 0 0 3 ，求得5 0 q 微帶 傳輸線寬為o 4 2 7 9 7 6 n 瑚。 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 麓 圖1 7 側(cè)視結(jié)構(gòu)圖 這個(gè)起過(guò)渡作川的小型同軸探針位于 矩形波導(dǎo)寬邊中心線上，其長(zhǎng)度等于金屬矩 形壁的厚度。如圖卜8 所示。其中位于同軸 線與矩形波導(dǎo)連接的一端的同軸線內(nèi)導(dǎo)體， 作為探針伸入矩形波導(dǎo)內(nèi)部，如同一個(gè)小天 線與矩形波導(dǎo)產(chǎn)生激勵(lì)作用。在與微帶線向 連接的另端，同軸線內(nèi)導(dǎo)體通過(guò)微帶線基 片穿孔，與介質(zhì)表面的金屬導(dǎo)帶進(jìn)行焊接。 在這個(gè)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，選取的是5 0 q 的微帶傳輸線，為了取得良好的匹配，同 軸線的特性阻抗必須為5 0 q 。在本設(shè)計(jì)中選擇r 相對(duì)介電常數(shù)為5 、在1 m h z 時(shí)介質(zhì)損 f nn 耗角為3 0 1 0 。的玻璃作為填充材料。則將= 5 ，以及z 。= 5 0 代入式z 。= 半i n 蘭( 式 q s i d l - 7 1 ) 可得同軸線內(nèi)外徑比值。又有前面分析可知道，要減小在傳播中由于電磁波模式 的不匹配而造成的反射，需要抑制在同軸線中高次模導(dǎo)波的傳輸，使同軸線t e m 單模 傳輸。要使同軸線t e m 單模傳輸必須滿足： 由同軸線理論知瑪z 波的截止頻率 ( = 疏2 c ( 1 其中c 為自由空問(wèn)中的光速，因?yàn)樽畲蠊ぷ黝l率為k 波段，則可以設(shè)定( f ) ，= 2 5 g 地 代入式( 1 - 7 2 ) ，滿足這個(gè)條什的同軸線必可以保征同軸線在k 波段范圍實(shí)現(xiàn)單模傳輸。 在實(shí)際應(yīng)用中，同軸結(jié)構(gòu)的探針的參數(shù)是廠家給定的，我們選用的探針參數(shù)規(guī)格是 ( 單位：英、j ) ：同軸線的外直徑0 0 9 8 ，金屬探針直徑0 0 1 ，同軸線的壁厚0 0 17 。因 此，可以求出同軸線的特性阻抗為1 2 0 歐姆。( 同軸線介質(zhì)暫時(shí)認(rèn)為等同于普通玻璃) 。 根據(jù)阻抗匹配時(shí)，同軸線的特性阻抗等j j 同軸線的輸入阻抗，即z 。= 1 2 0 n ，可以 求出探針深入波導(dǎo)的深度為向= 21 0 6 r a m ，探針距離波導(dǎo)短路面的距離是50 2 7 r a m 。 卜8 h f s s 軟件優(yōu)化仿真 綜上l 一7 節(jié)和1 8 節(jié)所述，設(shè)計(jì)優(yōu)化選定的初值為：探針深入波導(dǎo)的深度為 自= 21 0 6 m m ，探針距離波導(dǎo)短路面的距離是50 2 7 m m 。 經(jīng)過(guò)優(yōu)化仿真，探釗叫申入長(zhǎng)度為21 1 8 m m ，距離短路壁的長(zhǎng)度39 2 r a m 。 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章低噪聲放大器的設(shè)計(jì) 信號(hào)進(jìn)過(guò)信道傳輸，到達(dá)接收端的時(shí)候，已經(jīng)受到很大衰減，附加了很多的噪聲。 在接收機(jī)前端中廣泛使用的低噪聲放大器，通常是接收系統(tǒng)中輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)的第一個(gè)器 件，負(fù)責(zé)從背景噪聲中拾取信號(hào)并放大到足夠的幅度，以便后面的電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。 低噪聲放大器的性能決定了整個(gè)接收系統(tǒng)的靈敏度。為了達(dá)到一定的增益要求，通常低 噪聲放大器是多級(jí)級(jí)連的，增益與噪聲之間的關(guān)系可以用下面的式子來(lái)說(shuō)明： f ，：f + 生二! + 塵三+ + ! 一，可以看出，增益與噪聲之間是相互聯(lián) “舢 g _ lg l gq 2g 】g j 2 g ( i 一 ) 系的，第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)放大器的影響最大，同時(shí)為了減小系統(tǒng)的總噪聲 系數(shù)，要求每一級(jí)的增益盡可能的大。 2 一l 性能指標(biāo)和器件選擇 總結(jié)要設(shè)計(jì)低噪聲放大器的關(guān)鍵指標(biāo)如下： i )工作頻率k 波段 2 )帶寬 5 0 0m h z 3 ) 噪聲系數(shù) 2 4d b 設(shè)計(jì)低噪聲放大器的苒要工作是確定晶體管類型。通過(guò)從a g i le n t 產(chǎn)品于冊(cè)橫 l _ 比較可以看出，a t f 一3 6 0 7 7 是適合本設(shè)計(jì)要求的一種選擇。它能滿足設(shè)計(jì)的工作 頻率，噪聲，增葡要求，并且性價(jià)比高，在實(shí)際應(yīng)用中有著廣泛應(yīng)用。微波晶體管 的工作狀態(tài)是根據(jù)噪聲，增益和飽和輸出電平的要求來(lái)確定的。一般第一級(jí)低噪聲 放大器的晶體管工作點(diǎn)根據(jù)最小噪聲系數(shù)來(lái)選取最佳的工作電流，第二級(jí)從最佳增 益條件來(lái)考慮，保證有足夠的增益，同時(shí)還要兼顧噪聲。通過(guò)查閱a t f 一3 6 0 7 7 的工 作手冊(cè)可知，工作在k 。波段的靜態(tài)工作點(diǎn)可以選擇在v d s = i 5 v ，i d = 1 0 m i 。 2 - 2 電路的優(yōu)化 毆計(jì)微波晶體管放大器必須保證電路能穩(wěn)定的工作，不產(chǎn)生自激振蕩。這是設(shè)計(jì)時(shí) 首先要考慮的問(wèn)題。7 將放火器視作一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由s 參量和f 。和1 1s 確定。由于s 參黽對(duì)于 特定頻率是固定值，薪以對(duì)穩(wěn)定性有影響的參數(shù)就只有廠。和rs 。穩(wěn)定意味著反射系數(shù) 的模小于1 ，即： k i l ，岐l 1 r r , 。l = j 涮扎酬1 1 湍1 c ， 其中，；s 。，s 。一s ，。s 。以輸出端口為例，考察當(dāng)負(fù)載反射系數(shù)f 。改變時(shí)f 。 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 的變化。將r l = 呼+ 砭代入lr ，。i = 1 ，整理可得輸出端口穩(wěn)定性判定圓的方程。輸入 端口穩(wěn)定性判定方法與之相同。 在is 。- 】 1 的條件下( 實(shí)際中，這一條件幾乎總是成立的) ，對(duì)穩(wěn)定區(qū)的判別可歸納 為：當(dāng)穩(wěn)定性判別圓包含廠。平面的原點(diǎn)時(shí)，圓內(nèi)的區(qū)域是穩(wěn)定區(qū)；當(dāng)穩(wěn)定性判別圓不 包含r 。平面上的原點(diǎn)時(shí)，圓外區(qū)域是穩(wěn)定區(qū)。 絕對(duì)穩(wěn)定通常通過(guò)k 參數(shù)與一起判斷，如下式： 1 4 。，k ：型遼墨畢盟，。 2 i s l2 l s ! l l 本次設(shè)計(jì)采用的晶體管a t f 一3 6 0 7 7 在v j , = 1 5 v ，l 。= 1 0 m a ，s 參量如下 。f s l ls ，1 0 5 9 6 z5 19 5 。o0 9 9 z 9 15 。1 5 2 ks 2 。：廣b 6 z _ 1 0 1 1 。0 1 8 lz 1 0 5 6 。j 計(jì)算并畫出對(duì)應(yīng)輸入輸山穩(wěn)定性判定圓如下圖： 三喜 i i “l(fā) 一 ! ； g s t e a 。b m i l i e t y t r f l c a s c f t a o b r , i | i t k vf a c l 。r s m u 。s o ur c ea n dm u l o a d 匭困 。釤 反 。礦 少 ， 051 0 52 02 53 0 f r e q g h p r ff r e q u e n c ys e l e c t o r 廠r 廠廠 丌廠 r r - 一一t r r 一，r i t t t 1 00 ( 3 0 50 0 g1 0 0 g1 50 g2 00 g2 50 g3 00 g 由 上圖可以看出，晶體管在工作頻段內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定。在低頻穩(wěn)定性較差，必須通過(guò)添加穩(wěn) 定網(wǎng)絡(luò)加以糾正。 放大器的增益有多種定義，取決于觀察的角度。假設(shè)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)分別包含在 信號(hào)源和負(fù)載阻抗中，則電路系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為下幽： e “ 其中，r 。和r 。分別為輸入反射系數(shù)和輸出反射系數(shù)。 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 在多級(jí)低噪聲放大器沒(méi)計(jì)中，第一級(jí)般采用輸入端最佳噪聲匹配，輸出端采用最 佳增益匹配，這樣可以在滿足噪聲要求的情況下，盡量取得較大的增益，后面的幾級(jí)一 般都采用最佳增益匹配，獲得盡可能大的增益。 下圖是a t f 一3 6 0 7 7 晶體管增益曲線?？梢钥闯?，在最佳噪聲匹配情況下可以獲得的 增益小于最佳增益匹配下的增益。這是因?yàn)闋奚嗽鲆娅@取低l 噪聲的原因。 05 1 0 15 2 02 53 0 f r e q g h z 對(duì)于低噪聲放大器來(lái)說(shuō)，在低噪聲的前提下對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大是系統(tǒng)的基本要求。遺 憾的是，放大器的低噪聲要求與穩(wěn)定性、增益等相沖突。最小噪聲系數(shù)和最大增益就，1 i 能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。 將兩端r 】有噪網(wǎng)絡(luò)等效為一個(gè)無(wú)噪網(wǎng)絡(luò)再加上兩個(gè)噪聲電流源i 。和i 。建立f 噪聲 模型如下圖： 有噪兩端口網(wǎng)絡(luò)和它的等效表示法 定義噪聲系數(shù)f 為網(wǎng)絡(luò)輸入口s n r 和網(wǎng)絡(luò)輸出i js n r 之間的比值。 f ：絲：塑 p 2 只2p 0 1 只 利用( ) 式中得到的資用功率增量g 。，將p 。和p 。表示為p 。= g 。p ，和p 。- g 。p 。+ p 。，則 噪聲系數(shù)可以表示為： p f = 1 + 二生 g 。只， 巧佰 oo囂m三罷正 一鸛驢 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中，p 。；是放大器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲功率。上式經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，可以得到常用的兩端口放 大器的噪聲系數(shù)表達(dá)式： f ：，。+ 鼻阢 u 其中，f 是最小( 最佳) 噪聲系數(shù)，它與偏置條件和工作頻率有關(guān)。如果器件沒(méi)有 噪聲，則f 。i 。= l 。