射频微波系统的仿真与设计--微波晶体管放大器的设计

硬件电路设计与研究 2021-01-21 00:00

下学期,我们将正式开设"射频微波系统的仿真与设计"的专业选修课,给同学们介绍在射频、微波频段如何设计各种有源、无源电路,如何进行仿真验证....,在微波频段做电路设计一般有ads/empro/genesys,ANSYS Electronics Desktop(HFSS)、CST、AWR等软件,当然现在国产的comsol也有很多人使用(其主要是多物理场仿真,少有用在电路仿真上),这些软件中个人觉得最简单好用的还是AWR,其可以用在各种射频、微波有源无源电路和器件、通信系统、射频微波芯片仿真设计上,功能十分强大。我们下学期的课程准备选用此软件,当然用ADS/genesys/empro、ANSYS Electronics Desktop也是可以的,三者的概念、操作有一定相通性,做为设计人员应该至少会其中一种。

AWR公司是全球射频/微波电子设计自动化(EDA)工具的领先供应商与行业领跑者,其EDA产品广泛用于手机,卫星通信系统和其他无线通信电子产品的设计与仿真。应用AWR产品进行设计,工程师可以快速开发出高技术含量,稳定可靠的新产品,大幅提高设计效率,降低成本。

AWR公司软件主要为射频集成电路(RFIC),多芯片组件(MCM),含有高频无线电路及系统的印刷电路板(PCB)及光电市场所应用。AWR公司提供了一套完整的EDA软件解决方案,真正简化了产品的概念,仿真到生产的整个流程。AWR软件包括包括Microwave Office、Visual System Simulator、Analog Office、AXIEM® 、Analyst等功能模块。


以上重复,只是为满足微信图文300字的要求,看过的可以直接跳过,以下才是本次推文新内容:关于微波晶体管放大器的设计与计算


微波小信号放大器的设计步骤是:

1) 第一步根据微波放大器的技术指标来选择微波晶体管:对于工作频率较低而且对噪声要求不高时,可以选择微波双极晶体管(BJT);工作频率较高而且对噪声要求也较高时,可以选择微波场效应晶体管(MESFET)和高电子迁移率晶体管(HEMT);对于工作在微波高波段或毫米波波段可选择异质结晶体管(HBT)和赝高电子迁移率晶体管(PHEMT)。

 

2) 第二步是测量所选的微波晶体管的S参数和噪声参数,也可以根据厂家提供的S参数和噪声参数来设计。若设计所需频点的S参数没有给出,可采用内插法或外推法来计算所需频点的S参数。

 

3) 第三步使用稳定性判别准则来判别晶体管在所工作频段的稳定性。如果满足绝对稳定的条件,则微波小信号放大器的输入、输出匹配网络的反射系数不受任何限制,此时可以采用单向化设计或双共轭匹配设计,也可以采用最小噪声设计。若不满足绝对稳定条件,则微波小信号放大器的输入、输出匹配网络的反射系数将受到限制,一种方法是先采用负反馈或增加损耗将晶体管变为绝对稳定,然后再设计输入、输出匹配网络。另一种方法是在映射圆图上确定稳定区,然后在稳定区内选择适当的源反射系数和负载反射系数,源反射系数和负载反射系数的选择应尽可能满足设计指标要求。最后再根据所选的源反射系数和负载反射系数来设计匹配网络。

 

4) 最后是对设计结果进行整体优化(比如带宽、增益平坦度、噪声系数、可制造性、版图分布参数影响等),使得设计达到最佳。

对于窄带放大器,匹配网络可在中心频率单点上进行设计。频带稍宽一些的放大器(比如带宽大于中心频率的10%-20%),可在频带的高端频率点上设计(采用单向化或双共轭设计法),因为频率高端的增益较低,晶体管是|S21|一般都是随频率增加而降低的,如下图所示,若频率高端能满足要求,频率低端必然满足要求,最后进行调整来满足频带内增益平坦度的要求。


一、绝对稳定条件下的单向化设计

当微波晶体管等效为两端口网络时,一般其Sl2比较小,如果在设计时忽略S12,就称为单向化设计。当忽略S12时,即取S12=0,放大器的转移功率增益Gt变为单向化转移功率增

Sl2小到何种程度才可以采用此方法设计微波小信号放大器呢?单向化设计会产生多大误差?这需要预先估算。

实际的转换功率增益Gt和单向化转换功率增益Gtu的比值为:

因此,实际的转换功率增益Gt和单向化转换功率增益Gtu之间的误差范围可表示为:

在设计时可按给定的散射参数利用上式,计算单向化引入的误差,如果引入的误

差是在可以允许的范围内,则可以进行单向化设计,否则就不能进行单向化设计。根据计算如果功率增允许的误差在+/-1dB内,则对应的u≤0.12。


视频讲解1:


视频讲解2:



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