宽带功放课程设计Word下载.docx
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所需仪器设备：
PC机，面包板，相关电子元件，电烙铁，万用表，示波器等。
成果验收形式：
课程设计报告。
参考文献：
[1]欧兵，225—450Mhz宽带线性功率放大器的研制【D】，成都：
电子科技大学，2003.
[2]赵博，谈功率放大器中负载阻抗的确定【J】，平原大学学报，2001,18
（2）：
45-46.
[3]谢自美，电子线路设计实验测试，武汉：
华中科技大学，2010.
[4]张肃文，高频电子线路，北京：
高等教育出版社，2009.
时间
安排
构思及收集资料，2天；
根据课题的技术指标，确定整体方案，并进行参数设计计算，4天；
根据实验条件进行全部或部分电路安装与调试，并完成基本功能，5天；
总结编写课程设计报告，3天。
徐丽莎教研室主任：
年月日
注：
本表下发学生一份，指导教师一份，栏目不够时请另附页。
课程设计任务书装订于设计计算说明书（或论文）封面之后，目录页之前。
摘要
宽带功率放大器的应用开始从军用向民用扩展，目前在无线通信、移动电话、卫星通信网、全球定位系统（GPS）、直播卫星接收（DBS）、ITS通信技术及毫米波自动防撞系统等领域有着广阔的应用前景，在光传输系统中，宽带功率放大器也同样占有重要地位。
在无线通信、电子战、电磁兼容测试和科学研究等领域，对射频和微波宽带放大器有极大需求，且这些领域对宽带放大器要求各不相同，特别是在通信系统和电子战系统的应用中，对宽带低噪声和功率放大器的性能指标有特殊要求。
在设计上传统窄带放大器的端口匹配，一般是按照低噪声或者共扼匹配来设计的，以此获得低噪声放大器或者最大的输出功率。
但是，在宽带的条件下，输入／输出阻抗变化是比较大的，此时使用共扼匹配的概念是不合适的。
正因为如此，宽带放大器的匹配电路设计方法也与窄带放大器有所不同，宽频带放大器电路结构主要可以分为以下几种：
平衡式放大器；
反馈式放大器；
分布式放大器；
有耗匹配式放大器；
有源匹配式放大器；
达灵顿对结构。
各种结构都有各自的特点和适用的情况，在设计中应当根据具体放大器的性能指标要求进行合理的选择。
关键字：
宽带功率放大器阻抗匹配
目录
一概述…………………………………………………………1
1宽带功率放大器的指标分析………………………………1
1.1工作频带宽度…………………………………………1
1.2增益平坦度与起伏斜率………………………………1
1.3驻波比与反射损耗……………………………………1
2有耗匹配式放大器的结构…………………………………1
3宽带阻抗匹配电路…………………………………………2
4宽带变压器：
传输线变压器………………………………2
4.1工作原理…………………………………………………2
4.2特点………………………………………………………2
4.3材料………………………………………………………2
4.4工作方式…………………………………………………2
二方案设计……………………………………………………3
三单元电路设计与参数计算…………………………………3
1原理图…………………………………………………………3
2电路原理………………………………………………………4
2.1二级阻容耦合放大电路…………………………………4
2.2三极管静态工作点………………………………………5
2.3负反馈……………………………………………………5
2.4射极跟随电路……………………………………………6
2.5电路参数的设计…………………………………………7
四仿真与调试…………………………………………………7
五性能测试与分析……………………………………………8
1静态测量调试………………………………………8
1.1静态工作点的测量………………………………………8
1.2静态工作点的调试………………………………………8
2输入电阻Ri的测量…………………………………9
3输出电阻R0的测量…………………………………………9
六结论…………………………………………………………9
七心得体会……………………………………………………10
八参考文献……………………………………………………10
九致谢…………………………………………………………10
一概述
1宽带功率放大器的指标分析
宽带功率放大器的许多指标和普通的功率放大器是一样的，如饱和输出功率、P1dB压缩点、功率效率、互调失真、谐波失真、微波辐射等，但宽带功率放大器也有特殊之处。
1．1工作频带宽度
工作频带通常指放大器满足其全部性能指标的连续工作频率范围。
1．2增益平坦度与起伏斜率
增益平坦度是指频带内最高增益与最低的分贝数之差，多倍频程放大器的增益平坦度一般是±
1～±
3dB。
在微波系统中有时候需要两个以上的宽频带放大器级联，级联放大器的增益平坦度将变坏，这是由于前级放大器输出驻波比与后级放大器输入驻波比不一致造成的。
尤其在宽频带内，级间的反射相位有时迭加，有时抵消，增大了起伏，因此一般要在级联放大器的级间加匹配衰减器。
环境温度、直流偏置电压以及时间老化等因素对增益值影响较大，而对增益平坦度的影响较小。
1．3驻波比与反射损耗
宽频带放大器的驻波比指标比窄频带放大器更难保证。
倍频程放大器可以达到VSWR<
2，当要求较高时，可以用铁氧体隔离器改善驻波比。
但是，在多倍频程的情况下，无法获得适用的超宽频带隔离器，所以驻波比不可能很好。
2有耗匹配式放大器的结构
有耗增益补偿匹配网络在增益、放射系数和带宽之间可完成“重要”的折衷，而且，这种匹配网络的阻抗特性也可改善放大器的稳定性，减小它的尺寸和价格，因为有耗匹配电路的方案简单。
在很多实际情况中，为了改善宽带匹配——具有最小的增益波动和输入反射系数，在晶体管输入端并联阻性元件是非常有效的。
对较高频率，使用感性电抗元件与电阻串联比基本型具有额外的匹配改善。
对于
宽带有耗匹配MOSFET高功率放大器，最好使用串联集中参数电感，本设计使用的结构如图1所示。
在电阻上并联一个电容可以在频带的高端提升功率增益。
3宽带阻抗匹配电路
在利用有耗匹配网络使增益平坦，同时解决稳定问题后，就需要把管子的输入和输出阻抗匹配到50Ω，这就要用到宽带的阻抗匹配电路了。
在设计输入阻抗匹配电路时需要考虑稳定、增益、增益平坦、输入驻波比等，在输出匹配电路设计时需要考虑谐波抑制、输出驻波比、损耗等，在设计输出匹配电路之前，要仔细分析是按最大功率输出还是额度功率输出来选择输出阻抗参数，以便于得到需要的输出功率。
在设计中，选择微带和电容组合的混合匹配电路，电路结构为n个r型电路串联而成。
传输线变压器
4.1工作原理
将传输线的工作原理应用于变压器上，既有传输线特点，又有变压器特点。
4.2特点
最常见的宽带高频功率放大器是利用宽带变压器做耦合电路的放大器，工作频率极宽，上限频率到上千兆赫兹，频率覆盖系数可达到104。
4.3材料
将传输线绕在高磁导率、低损耗的磁环上构成。
传输线可采用纽绞线、平行线、同轴线等，而磁环一般由镍锌高频铁氧体制成，其直径小的只有几毫米，大的有几十毫米，视功率大小而定。
4.4工作方式
传输线原理和变压器工作原理的结合，即其能量根据激励信号频率的不同以传输线或以变压器方式传输。
4.4.1传输线模式
（变压器为弱耦合条件）由两根导线传输能量。
特点：
在两个线圈中通过大小相等，方向相反的电流，以抵消磁芯中的磁场。
低频时，两根传输线就是普通连接线；
高频时，当所传输的信号的波长可以和导线长度相比拟，两根导线的分布参数的影响不容忽视。
由于两根导线紧靠在一起，而又同时绕在同一个磁芯上，所以导线间的分布电容和导线上的电感都是很大的，它们分别称为分布电容、电感。
对于传输线模式，在具有分布参数的电路中，能量的传输是靠电能和磁能互相转换实现的。
如果认为CO、LO是理想分布参数，即考虑导线的欧姆损耗和导线见的介质损耗，则信号加入后，信号源的能量将全部被负载吸收，这就是说CO非但不影响高频特性，反而是传输能量的条件，从而使传输线变压器的上限工作频率提高。
4.4.2变压器模式
低频时变压器模式发生作用（CO太小不能传输能量），当信号加入后，变压器靠耦合方式传输能量（靠电感量作用），传输线变压器的磁环具有增大初级电感量的作用，因此它的低频响应也有很大改善。
二方案设计
设计要求：
三单元电路设计与参数计算
1原理图
2电路原理
2.1二级阻容耦合放大电路
电路中的二级直接耦合放大电路是由两个共射级放大电路组成。
下图为一级放大：
直流电源Vcc通过电阻Rb使三极管的发射结正向偏置，并产生基极电流Ib。
直流电源Vcc通过电阻Rc，给集电结反向偏置，以保证三级管工作在放大状态。
另外集电极电阻Rc可以将集电极电流的变化转化为电压的变化，再送到放大电路的输出端。
电容Cb1和Cb2称为隔直电容或者耦合电容，其作用是隔直通交。
Ui是待放大的交流输入信号，经电容Cb1加在基极与发射极间的输入回路中必将引起积极电流Ib的变化，Ic也将随之变化。
由Uce=Vcc-IcRc，集电极电阻Rc将电流Ic的变化转换成电压Uce的变化经电容Cb2，传送到输出端，即输出信号Uo。
电压放大倍数
输入电阻 Ri＝RB//rbe
输出电阻RO≈RC
2.2三极管静态工作点
当流过偏置电阻RB的电流远大于三极管的基极电流IB时，则它的静态工作点可用下式估算：
UCE＝UCC－IC（RC＋RE）
2.3负反馈
反馈技术可以改善放大器的性能，因此广泛应用于各种放大电路。
但会影响放大电路的增益，使增益减小。
反馈放大电路的组成
输入信号净输入信号输出信号
XiXidXo
Xf
基本关系式
开环放大倍数A=xo/xid
反馈系数F=xf/xo
闭环放大倍数Af=xo/xi
xid=xi-xf
Af=xo/xi=Axid/（xid+AFxid）=A/（1+AF）
负反馈方程Af=A/（1+AF）开环放大倍数AF反馈深度1+AF
当|1+AF|>
>
1，|Af|≈|1/F|=1/F,为深度负反馈。
二级阻容耦合放大电路加上负反馈后放大倍数计算：
2.4射极跟随电路
射极跟随器是一种共集接法的电路见下图，它从基极输入信号，从射极输出信号。
它具有高输入阻抗、低输出阻抗、输入信号与输出信号相位相同的特点。
（1）输入阻抗从上图（b）电路中，从1、1端往右边看的输入阻抗为：
Ri=Ui/Ib=rbe+（1+β）ReL式中：
ReL=Re//RL,rbe是晶体管的输入电阻，对低频小功率管其值为：
rbe=300+（1+β）（26毫伏）/（Ie毫伏）在上图（b）电路中，若从b、b’端往右看的输入阻抗为Ri=Ui/Ii=Rb//Rio.由上式可见，射随器的输入阻抗要比一般共射极电路的输入阻抗rbe高（1+β）倍。
（2）输出阻抗将Es=0,从上图（C）的e、e"
往式看的输出阻抗为：
Ro=Uo/Ui=（rbe+Rsb）/（1+β）,式中Rs=Rs//Rb,若从输出端0、0’往左看的输出阻抗为Ro=Ro//Reo
（3）电压放大倍数根据上图（b）等效电路求得：
Kv=Uo/Ui=（1+β）Rel/[Rbe+（1+β）Rel],式中：
Rel=Re//RL,当（1+β）Rel>
rbe时，Kv=1,通常Kv<
1.
2.5电路参数的设计
（1）电阻RE的选择
式中β的取值范围为240~300之间，UB选择3-5V，IB可根据β和ICM选择。
（2）电阻RB1，RB2的选择
流过RB2的电流IRB一般为（5-10）IB，所以，RB1，RB2可由下式确定
（3）电阻RC的选择
式中，具体选择RC时，应满足电压放大倍数|Au|的要求。
此外，电容C1、C2和Ce可选择10μF左右的电解电容。
四仿真与调试
ADS仿真与优化结果，图（a）为S的曲线，在输入为0dBm的情况下，功率增益有34dB，在输出功率大于33dBm，从图中几点可以看出，增益平坦度在1dB；
图（b）为稳定系数；
图（c）为输入驻波比；
图（d）为输出驻波比。
五性能测试与分析
1静态测量调试
1.1静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点，应在输入信号ui＝0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。
一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压UE或UC，然后算出IC的方法，例如，只要测出UE，即可用
算出IC（也可根据
，由UC确定IC），
同时也能算出UBE＝UB－UE，UCE＝UC－UE。
为了减小误差，提高测量精度，应选用内阻较高的直流电压表。
1.2静态工作点的调试
放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流IC（或UCE）的调整与测试。
静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。
如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时uO的负半周将被削底，如图（a）所示；
如工作点偏低则易产生截止失真，即uO的正半周被缩顶，如图（b）所示。
这些情况都不符合不失真放大的要求。
所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的输入电压ui，检查输出电压uO的大小和波形是否满足要求。
如不满足，则应调节静态工作点的位置。
（a）（b）
改变电路参数UCC、RC、RB（RB1、RB2）都会引起静态工作点的变化，但通常多采用调节偏置电阻RB2的方法来改变静态工作点，如减小RB2，则可使静态工作点提高等。
2输入电阻Ri的测量
为了测量放大器的输入电阻，按图电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一个已知电阻R，在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出US和Ui，则根据输入电阻的定义可得
输入、输出电阻测量电路
测量时应注意下列几点:
①由于电阻R两端没有电路公共接地点，所以测量R两端电压UR时必须分别测出US和Ui，然后按UR＝US－Ui求出UR值。
②电阻R的值不宜取得过大或过小，以免产生较大的测量误差，通常取R与Ri为同一数量级为好。
3输出电阻R0的测量
按图电路，在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载RL的输出电压UO和接入负载后的输出电压UL，根据
即可求出
在测试中应注意，必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。
六结论
宽带功率放大器有着广阔的应用前景，设计要求也不同于一般的功率放大器，对阻抗匹配的要求也更加严格。
基于ADS微波设计软件，利用其环境下的小号S参数可以准确地进行电路仿真和高效简捷的优化设计，这说明ADS仿真软件能很好的提高设计效率，避免了复杂的计算，对实际的设计有很好的指导作用。
七心得体会
这次课程设计过程中有很多体会。
课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节。
通过这次学习，加深了对电子电路理论知识的理解，并锻炼的实践动手能力，具备了高频电子线路的基本设计能力，能正确使用仪器仪表。
我懂得了理论和实践相结合是很重要的，只有理论知识是不够的，只有把所学的理论知识与实践想结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，在设计的过程中遇到的问题困难重重，难免会遇到各种各样的问题，同时发现了自己的不足之处，怎样去解决这些问题，发人深省。
同时，随着高频电子线路学习的深入，有好多同学选择了放弃，但我认为，既然选择就应该坚持下去。
也无论能否出成绩，只要自己能学到更多的东西，满足自己的兴趣，足矣。
八参考文献
九致谢
感谢***老师长期以来在学习上对我的大力帮助，能让我及时解决问题，找到学习的方向，并时刻鼓励我积极进取，为人师表，实乃钦佩。
也感谢身边同学的大力协助才能较快完成这次课程设计，再次致谢！
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