專利名稱：一種微波放大電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
微波放大電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法屬于微波放大電路的設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代移動(dòng)通信的發(fā)展經(jīng)過了模擬制式到數(shù)字制式的發(fā)展，而數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)也歷經(jīng)了頻分復(fù)用(FDMA)，時(shí)分復(fù)用(TDMA)到碼分多址(CDMA)無線通信的演進(jìn)。CDMA方式能夠以更加有效的實(shí)現(xiàn)帶寬換取信噪比。這就是說，提高接收系統(tǒng)的信噪比等效于增加用戶數(shù)量，所以研究低噪聲系數(shù)的放大器LNA和前端系統(tǒng)是目前微波通信電路領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。通信用LNA必須滿足特殊的要求，例如低駐波比指標(biāo)，例如CDMA2000接收機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，放大器輸入駐波比低于1.5，輸出駐波比必須低于2。
以下分別介紹放大電路常用指標(biāo)的定義及其說明1電壓駐波比(VSWR)目前的文獻(xiàn)(例如放大器設(shè)計(jì)文獻(xiàn)[Guillermo Gonzalez著，白曉東譯，微波晶體管放大器分析與設(shè)計(jì)，清華大學(xué)出版社，北京，2003]，[Tri.T哈著，固體微波放大器設(shè)計(jì)，國(guó)防工業(yè)出版社，北京，1988])或者沒有敘述在放大器設(shè)計(jì)中如何設(shè)計(jì)和優(yōu)化駐波比指標(biāo)，或者僅僅給出了一種特例，而不能用于優(yōu)化電路的電壓駐波比。駐波比是電磁工程中一種容易測(cè)量的量，它說明了微波電磁場(chǎng)能量的傳輸和反射能量分布狀態(tài)，例如駐波比1.5意味著輸入的能量的4％被反射回參考信源，駐波比1.8意味輸入能量的8.2％被反射回參考信源端；理想的駐波比是1，即意味著負(fù)載和信源共軛匹配，能量傳輸達(dá)到100％。
駐波比1.0 1.2 1.5 1.6 1.7 1.8 2.0 3.0被反射能量0.00％ 0.83％ 4.00％ 5.33％ 6.72％ 8.16％ 11.11％ 25.00％駐波比損耗還決定數(shù)字電路的誤碼率，實(shí)際電路不可能達(dá)到駐波比等于1的理想匹配狀態(tài)，需要設(shè)計(jì)者優(yōu)化該指標(biāo)到極小。
2增益增益是指放大電路的負(fù)載上得到的信號(hào)功率Po與信號(hào)源輸出的功率Pi的比值，這個(gè)值大于1.0才能稱該電路為信號(hào)放大電路，通常稱為放大電路(或放大器)Ga＝(Po)/(Pi)＝|S21|2(1)
增益用分貝值表示Gain＝10*Log(Ga)＝20*Log|S21|(dB)(2)在電路其它參數(shù)不變情況下，要求增益值應(yīng)盡量大。
3 噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度噪聲系數(shù)是一種描述電路引入加性噪聲功率大小的度量。它是噪聲因子參數(shù)的分貝數(shù)值。噪聲因子定義為輸入信號(hào)功率Si和輸入噪聲功率Ni比值除輸出信號(hào)功率So和輸出噪聲功率No，即Nfactor=Si/NiSo/No---(3)]]>用dB值(噪聲因子對(duì)數(shù)的10倍)表示的結(jié)果就稱為噪聲系數(shù)，記為NF。
NF＝10*Log(Nfactor)(dB)(4)理想的無噪聲信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)由于沒有附加內(nèi)部噪聲，的輸入和輸出信噪比相同，即Nfactor＝1，寫成噪聲系數(shù)形式為NF＝0dB。在電路其余參數(shù)不變情況下。放大器的噪聲系數(shù)應(yīng)該盡量小。
在電路中還以等效噪聲溫度表述噪聲性能，噪聲溫度與噪聲系數(shù)關(guān)系為NT＝(10NF/10-1)*290(K) (5)噪聲溫度適合描述低噪聲系數(shù)，它的單位為絕對(duì)溫標(biāo)K。
4 穩(wěn)定性系數(shù)K穩(wěn)定性是負(fù)載和源變動(dòng)下放大器反射能量小于輸入能量的特性。通過輸出能量不大于輸入能量穩(wěn)定工作條件，推導(dǎo)出一種描述穩(wěn)定性的系數(shù)KK=1-|S11|2-|S22|2+|Δ|22|S12·S21|---(6)]]>Δ＝S11*S22-S12*S21；S為晶體管的散射矩陣，Sij為矩陣元素(i，j＝1，2，i行j列元素)。放大電路穩(wěn)定的充要條件 某些晶體管K＞1，是無條件穩(wěn)定晶體管，設(shè)計(jì)時(shí)不必考慮K值，它的設(shè)計(jì)可以參照本發(fā)明。K＜1稱為潛在不穩(wěn)定晶體管，需要利用匹配網(wǎng)絡(luò)使整體電路滿足公式(7)。
微波網(wǎng)絡(luò)的矩陣描述設(shè)電路輸入波向量為A，輸出波向量為B。A=aoai,B=bobi.,]]>ai、ao分別為輸入、輸出端入射波，bi、bo分別為輸入、輸出端的反射波，則微波網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣S定義為B＝S·A(8)在微波領(lǐng)域，端口性質(zhì)利用散射參數(shù)進(jìn)行描述，因?yàn)樯⑸鋮?shù)能夠顯式定義傳輸?shù)哪芰亢头瓷淠芰?，能夠通過實(shí)際測(cè)量得到；另外描述微波網(wǎng)絡(luò)的等效的方法有阻抗矩陣z和轉(zhuǎn)移矩陣abcd,]]>V＝Z·I，z＝Z/Z0(9)其中Z0＝50Ω為歸一化阻抗。
v1i1=abcdv2i2′---(10)]]>v1、v2分別為輸入輸出端電壓，i1為輸入電流，i2’為反向輸出電流值。
這些矩陣的表述不是獨(dú)立的，從任何一個(gè)均可以推導(dǎo)出所有其余表述形式。例如阻抗矩陣z和散射矩陣S之間有如下變換關(guān)系[s]＝([z]-1)([z]+1)-1；(11)[z]＝(1+[s])(1-[s])-1；(12)散射矩陣[s]和轉(zhuǎn)移矩陣abcd]]>之間有如下變換關(guān)系[s]=1a+b+c+da+b-c-d2a2-a+b-c+d;---(13)]]>abcd=12s211+s11-s22-|s|1+s11+s22+|s|1-s11-s22+|s|1-s11+s22-|s|;---(14)]]>阻抗矩陣z與轉(zhuǎn)移矩陣abcd]]>之間變換關(guān)系abcd=1z21z11|z|1z22;---(15)]]>本文利用這些矩陣表述和變換作為分析工具。
常規(guī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化低噪聲放大器依賴一種稱為Smith圓圖的方法，步驟是首先作出2張圖，分別代表輸入反射系數(shù)圓圖和輸出反射系數(shù)圓圖，在輸入反射系數(shù)圓上作出等噪聲系數(shù)圓和等增益圓，然后手工選擇一個(gè)兩者交集內(nèi)的適當(dāng)點(diǎn)，或者是依賴其它一些標(biāo)準(zhǔn)來確定其中某個(gè)反射系數(shù)點(diǎn)，而駐波比則僅僅依賴比較高的增益來保證，因?yàn)榱己闷ヅ湟馕秱鬏斈芰枯^大，增益較大。這種方法中由于使用了人為的判斷，不能保證輸入/輸出反射系數(shù)結(jié)果的全局最優(yōu)。
常規(guī)利用附圖2等效電路的設(shè)計(jì)方法中不能計(jì)算出圖1的駐波比。這就是實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)駐波比沒有得到討論的原因所在，對(duì)雙向晶體管模型(大多數(shù)的情況)，完全匹配涉及解兩個(gè)耦合的復(fù)數(shù)方程，而且無法事先判斷解的存在性；對(duì)于潛在不穩(wěn)定晶體管，駐波比完全共軛匹配意味著最大傳輸增益，而潛在不穩(wěn)定晶體管的最大增益是無意義的。所以一直沒有恰當(dāng)?shù)姆椒▉砭_設(shè)計(jì)駐波比的約束，憑借的僅是經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)方法。
于是目前放大器設(shè)計(jì)普遍采用EDA軟件優(yōu)化技術(shù)，EDA軟件優(yōu)化功能都利用賦予指標(biāo)函數(shù)權(quán)重的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行向量搜索。但是這種設(shè)計(jì)存在以下困難1自動(dòng)優(yōu)化功能有限，易陷入一個(gè)局部極值點(diǎn)而自動(dòng)中止；2不能保證全局最優(yōu)；3發(fā)揮EDA軟件優(yōu)化功能需要設(shè)計(jì)者具有豐富的放大器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，且對(duì)不同的有源器件需要不同的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；4計(jì)算結(jié)果對(duì)電路變量數(shù)目依賴性大，獨(dú)立變量數(shù)目較少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是尋找一種保證微波放大器能夠設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的駐波比、增益、噪聲系數(shù)指標(biāo)的方法，同時(shí)還必須滿足穩(wěn)定性前提；并且該方法應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)全局最優(yōu)的設(shè)計(jì)。
通過將放大器劃分為輸入網(wǎng)絡(luò)、晶體管網(wǎng)絡(luò)、輸出網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分，測(cè)量得到待設(shè)計(jì)晶體管工作頻段上典型的散射參數(shù)S；并將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)移矩陣Tt，接著確定輸入網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移矩陣Ti，以及輸出網(wǎng)絡(luò)To，而確定出放大電路轉(zhuǎn)移矩陣Tc＝f(Ti，Tt，To)，從而得到放大電路各項(xiàng)指標(biāo)值，如駐波比、增益、噪聲系數(shù)表達(dá)式。確定輸入輸出網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移矩陣可以用以下2種方法的任意一種實(shí)現(xiàn)1設(shè)定輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，通過矩陣轉(zhuǎn)換得到Ti和To[Guillermo Gonzalez著，白曉東譯，微波晶體管放大器分析與設(shè)計(jì)，清華大學(xué)出版社，北京，2003]；2通過輸入輸出網(wǎng)絡(luò)的電路拓?fù)浜驮?shù)值確定輸入阻抗矩陣zi和輸出阻抗矩陣zo，然后通過矩陣轉(zhuǎn)換為Ti和To；選擇電路拓?fù)湎挛挠性敿?xì)敘述。
本發(fā)明方法其特征在于它是一種由一個(gè)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、包含負(fù)反饋的晶體管和一個(gè)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)依次級(jí)聯(lián)構(gòu)成的微波放大電路，在由計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，它依次包含以下步驟初始化設(shè)定輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的原型電路，該原型電路是由具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者不具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的子電路塊組成的∏型或者T型的2端口電網(wǎng)絡(luò)。或者輸入該原型電路的退化型電路，它們是減少1個(gè)或者2個(gè)部件的∏型或者T型電路，也是2端口電網(wǎng)絡(luò)，但一共只有2種不同結(jié)構(gòu)；這些輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)都可以對(duì)應(yīng)一種只具有輸入信源阻抗和輸出負(fù)載的等效電路形式，即常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)采用的描述方法，上述輸入輸出網(wǎng)絡(luò)以阻抗矩陣描述并存入計(jì)算機(jī)程序中；負(fù)反饋的晶體管以散射矩陣描述并存入計(jì)算機(jī)程序中；設(shè)定目標(biāo)函數(shù)及其指標(biāo)值和它們的計(jì)算程序，存入計(jì)算機(jī)；所述目標(biāo)函數(shù)是輸入電壓駐波比VSWRin、輸出電壓駐波比VSWRout、增益Gain、等效噪聲溫度NT、穩(wěn)定性系數(shù)K中的若干項(xiàng)目或者它們的組合，各目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算公式如下VSWRin=1+|Sc11|1-|Sc11|,---(16)]]>VSWRout=1+|Sc22|1-|Sc22|,---(17)]]>Gain＝10×Log(|Sc21|2)，(18)NT=NTmin+4RnT0Z0|Si22-Γopt|2(1-|Si22|2)(1-|Γopt|2),.---(19)]]>K=1-|Sc11|2-|Sc22|2+|Δ|22|Sc12Sc21|,Δ=Sc11*Sc22-Sc12*Sc21,---(20)]]>其中噪聲電阻Rn，最小噪聲溫度NTmin，最佳信源反射系數(shù)Γopt都由晶體管手冊(cè)給出；所述Sc矩陣為整個(gè)目標(biāo)電路的散射矩陣，Sc=Sc11Sc12Sc21Sc22,]]>它由整個(gè)目標(biāo)電路的轉(zhuǎn)換矩陣Tc變換而來，而轉(zhuǎn)換矩陣Tc＝Ti×Tt×To，其中，Ti是輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的歸一化阻抗矩陣zi=Zi11Zi12Zi21Zi22]]>的轉(zhuǎn)換矩陣；Tt是晶體管有源電路散射矩陣St轉(zhuǎn)化得到的轉(zhuǎn)移矩陣；To是輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的歸一化阻抗矩陣z0=Zo11Zo12Zo21Zo22]]>的轉(zhuǎn)移矩陣；設(shè)定信源阻抗和負(fù)載信源阻抗和負(fù)載的值Z0為50Ω，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)流入端口和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)輸出端口的隔直流電容值，根據(jù)射頻工作頻率上的容抗計(jì)算，取為50pF；確定放大器的級(jí)數(shù)，各級(jí)電路分別設(shè)計(jì)；確定單級(jí)電路的形式在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)具有高通特性且電路必須有一個(gè)旁路以引入直流偏置的要求下，確定輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的電路拓?fù)浜妥鳛樽兞康淖杩乖愋图捌渥兞恐担鲎杩乖请姼?、或電容、或電阻、或微帶線、或它們的串連或者并聯(lián)電路；選擇晶體管和負(fù)反饋量值先根據(jù)晶體管散射矩陣計(jì)算晶體管的穩(wěn)定性系數(shù)K值，若K＜1，引入負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，該負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)由電容、電阻、微帶線元件或者它們的組合經(jīng)串連或者并聯(lián)而成，但是元件的數(shù)量小于或者等于3個(gè)，設(shè)定元件變量值，再依次計(jì)算K，只到K＞0.6時(shí)便可以確定負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的元件數(shù)值，得到包含負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的散射矩陣St=St11St12St21St22;]]>根據(jù)上述特定的輸入、輸出匹配電路計(jì)算以下各量根據(jù)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)計(jì)算歸一化輸入阻抗矩陣zi=Zi11Zi12Zi21Zi22;]]>根據(jù)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)計(jì)算歸一化輸出阻抗矩陣zo=Zo11Zo12Zo21Zo22;]]>把上述Z1變換為轉(zhuǎn)移矩陣Ti=AiBiCiDi=1zi21zi11|zi|1zi22;]]>把上述St變換為轉(zhuǎn)移矩陣Tt=AtBtCtDt=12s211-si11-st22+|st|1+st11+st22+|st|1-st11-st22+|st|1-st11+st22-|st|;]]>把上述zo變換為轉(zhuǎn)移矩陣To=AoBoCoDo=1zo21zo11|zo|1zo22;]]>計(jì)算微波放大電路整體轉(zhuǎn)移矩陣Tc=AcBcCcDc=Ti×Tt×To;]]>把整體轉(zhuǎn)移矩陣變換為散射矩陣Sc=Sc11Sc12Sc21Sc22=1Ac+Bc+Cc+DcAc+Bc-Cc-Dc2Ac2-Ac+Bc-Cc+Dc;]]>根據(jù)公式(1)～(5)計(jì)算輸入電壓駐波比VSWRin、輸出電壓駐波比VSWRout、增益Gain、等效噪聲溫度NT、穩(wěn)定性系數(shù)K的值；判斷步驟(8)得到的目標(biāo)函數(shù)值是否滿足設(shè)計(jì)要求，如果滿足，則把它們作為輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值；否則，修改輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)阻抗元件的值，重復(fù)步驟(4)～(9)，只到VSWRin、VSWRout、Gain、NT、K滿足設(shè)定的指標(biāo)時(shí)為止。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用本文方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果選定元件參數(shù)，并于復(fù)合介質(zhì)基片上實(shí)際制作了CDMA放大器電路，輸入駐波比VSWRin設(shè)計(jì)結(jié)果為1.11，測(cè)量結(jié)果為1.2；輸出駐波比VSWRout設(shè)計(jì)結(jié)果為1.42，測(cè)量結(jié)果為1.5；增益Cain如設(shè)計(jì)結(jié)果為1.42，穩(wěn)定性系數(shù)K測(cè)量結(jié)果為1.5；噪聲系數(shù)NF設(shè)計(jì)結(jié)果為0.71，測(cè)量結(jié)果為0.89；測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)值相符合本發(fā)明設(shè)計(jì)過程耗時(shí)不到2分鐘。
利用微波電路常用的設(shè)計(jì)軟件Agilent公司放大器設(shè)計(jì)軟件ADS進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)，在各元件的參數(shù)變化范圍都相同條件下，利用它的隨機(jī)優(yōu)化算法進(jìn)行11分鐘的計(jì)算后得到的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下輸入駐波比VSWRin為1.57；輸出駐波比VSWRout為2.39；增益Gain為19.95；穩(wěn)定性系數(shù)K為1.52；噪聲系數(shù)NF為1.10。


圖1；本發(fā)明關(guān)于利用級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)微波放大器的電原理框圖；圖2；從圖1等效出的現(xiàn)有常規(guī)設(shè)計(jì)微波放大器的電原理框圖；圖3；T型網(wǎng)絡(luò)計(jì)算說明圖；圖4；∏型網(wǎng)絡(luò)計(jì)算說明圖；圖5；退化的T型(∏型)網(wǎng)絡(luò)1計(jì)算說明圖；圖6；退化的T型(∏型)網(wǎng)絡(luò)2計(jì)算說明圖；圖7；用于放大器實(shí)施例中輸入網(wǎng)絡(luò)T型電網(wǎng)絡(luò)圖；圖8；用于放大器實(shí)施例中輸出網(wǎng)絡(luò)的退化T型(∏型)電網(wǎng)絡(luò)圖；圖9-1；本發(fā)明方法的放大器設(shè)計(jì)示意圖；圖9-2；本發(fā)明方法的放大器設(shè)計(jì)流程圖。
具體實(shí)施例本發(fā)明電路原理和實(shí)施例之一的CDMA移動(dòng)通信用放大電路具體設(shè)計(jì)方法結(jié)合各附圖詳細(xì)說明如下圖1說明了本文運(yùn)用的原型電路的組成、結(jié)構(gòu)、電參量以及它們的測(cè)量參考點(diǎn)(面)。放大電路整體由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)(16)，晶體管有源電路部分(17)，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)(18)級(jí)聯(lián)組合而成。需要說明的是16，18的元件拓?fù)涫亲鳛檎f明方便表現(xiàn)為圖1的形式，具體的電路規(guī)范和拓?fù)湫问皆趫D3圖4以及本發(fā)明正文中會(huì)有詳細(xì)說明，本發(fā)明的重點(diǎn)之一在于這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算方式和選擇方式。
特別需要關(guān)注的是本發(fā)明重點(diǎn)提出了圖1中11和12的參考面，這在設(shè)計(jì)中和實(shí)測(cè)中是整體電路的反射系數(shù)測(cè)量點(diǎn)。只有在計(jì)算了包括11和12參考面的反射系數(shù)特性后才能得到電路準(zhǔn)確的反射系數(shù)指標(biāo)。
由圖1的11參考面向右看入的反射系數(shù)定義為Γci(19)，圖1的11參考面向右看入的電壓駐波比定義為VSWRin。圖1的12參考面向左看入的反射系數(shù)定義為Γco(114)，圖1的12參考面向左看入的電壓駐波比定義為VSWRout。
圖1的110參考面和方向看入的反射系數(shù)定義為Γs，圖1的111參考面和方向看入的反射系數(shù)定義為Γin，圖1的112參考面和方向看入的反射系數(shù)定義為Γout，圖1的113參考面和方向看入的反射系數(shù)定義為ΓL。
信源阻抗Z0(14)和負(fù)載Z0(15)如果沒有特別說明在一般規(guī)定為50歐姆，該值可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要改變而不影響本發(fā)明的科學(xué)性和實(shí)施效果，例如可以更改為75歐姆。為了敘述方便，本文論述中將采用50歐姆標(biāo)準(zhǔn)。
圖2描述的是本發(fā)明的原型電路經(jīng)過等效后的電路原理框圖，即普通放大器設(shè)計(jì)文獻(xiàn)中采用的模型?？梢钥吹匠藘?nèi)部拓?fù)涞刃檩斎肫ヅ渥杩?218)和輸出匹配阻抗(219)外與圖1相比組成部分的數(shù)量以及連接關(guān)系并沒有變動(dòng)，這是因?yàn)閳D2從圖1推導(dǎo)而來。整個(gè)設(shè)計(jì)過程比參量和增益指標(biāo)的內(nèi)在關(guān)系說明。實(shí)施等效后僅僅方便了Γs，Γin，Γout，ΓL變量的描述和設(shè)計(jì)，并且是以可變量減少到僅218和219兩個(gè)等效阻抗為代價(jià)的。
本發(fā)明利用圖1的組成、結(jié)構(gòu)、拓?fù)錇樵瓦M(jìn)行設(shè)計(jì)，圖2的作用僅在于證明本發(fā)明的原型可以等效為常規(guī)原型，以了解網(wǎng)絡(luò)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，此外不再對(duì)圖2進(jìn)行更進(jìn)一步的演算和敘述。
圖3為T型阻抗網(wǎng)絡(luò)原型圖。是一種輸入和輸出網(wǎng)絡(luò)的二端口拓?fù)湫问?。特別重點(diǎn)提出的是其中的阻抗元件32，阻抗元件33，阻抗元件34不僅表示電感、電容、電阻和微帶線等元件，還可以由任意的電容、電感、電阻、微帶線等元件的串連、并聯(lián)電路組成。例如由3個(gè)50歐姆的電阻分別實(shí)現(xiàn)圖3中的32，33，34，便是本圖原型的一個(gè)實(shí)現(xiàn)形式。圖7是本文實(shí)施例所用的電路，也是圖3的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。
圖3所示的T型阻抗網(wǎng)絡(luò)原型是2端口網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)可以從31A、31B或者36A、36B組成的端口中的任意一個(gè)輸入，從另外一個(gè)端口輸出。
圖4為∏型阻抗網(wǎng)絡(luò)原型圖。是一種輸入和輸出網(wǎng)絡(luò)的二端口拓?fù)湫问?。特別重點(diǎn)提出的是其中的阻抗元件42，阻抗元件43，阻抗元件44僅僅起示意作用，它們可以由任意的電容、電感、電阻、微帶線等單元元件或者是它們的串連、并聯(lián)電路組成。例如由3個(gè)50歐姆的電阻實(shí)現(xiàn)圖4中的42，43，44，便是本圖原型的一個(gè)實(shí)現(xiàn)形式。
圖4的∏型阻抗網(wǎng)絡(luò)原型是2端口網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)可以從41A、41B或者46A、46B組成的端口中的任意一個(gè)輸入，從另外一個(gè)端口輸出。
圖5是一種退化的T型(或者∏型)阻抗網(wǎng)絡(luò)原型(50)圖，它相當(dāng)于圖3的T型阻抗網(wǎng)絡(luò)原型取消了33或者圖4的∏型阻抗網(wǎng)絡(luò)原型取消了43部件。電路部件52和53同樣也是由電容、電感、電阻和微帶線組成的子電路，畫為圖5中的形式僅僅起一種等效的示意作用。
圖6是一種退化的T型(或者∏型)阻抗網(wǎng)絡(luò)原型(60)圖，它相當(dāng)于圖3的T型阻抗網(wǎng)絡(luò)原型取消了32或者圖4的∏型阻抗網(wǎng)絡(luò)原型取消了44部件。電路部件62和63同樣也是由電容、電感、電阻和微帶線組成的子電路，畫為圖6中的形式僅僅起一種等效的示意作用。
圖7是800MHz頻段放大器實(shí)施例中輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)電路，本圖的電路是圖3電路原型的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)圖3中部件32、33、34分別用圖7中元件C1、L1、L2實(shí)現(xiàn)。連接結(jié)構(gòu)屬于前述的T型網(wǎng)絡(luò)原型。這種網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)變量決定，即C1、L1、L2的參數(shù)值。
圖8是800MHz頻段放大器實(shí)施例中輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)電路，本圖的電路是圖6電路原型的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)圖6中部件62、63分別用圖8中元件C2、L3實(shí)現(xiàn)。連接結(jié)構(gòu)屬于前述的退化型網(wǎng)絡(luò)原型60。這種網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)變量決定，即C2、L3的參數(shù)值。
圖9-1是本發(fā)明的單級(jí)電路設(shè)計(jì)流程示意圖，圖9-2是在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)的程序流程圖。文字描述如下步驟1確定放大器級(jí)數(shù)；步驟2根據(jù)選擇匹配電路拓?fù)?即從圖3-圖6中選擇一種)和變量值(在實(shí)例中對(duì)應(yīng)圖7-圖8中C1，L1，L2、C3、L3數(shù)值)，以及晶體管和負(fù)反饋量值，選擇出來的匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰獫M足讓工作頻帶內(nèi)信號(hào)通過而阻止帶外信號(hào)傳輸，反饋量大小既適當(dāng)提高穩(wěn)定性也必須滿足可實(shí)現(xiàn)的要求；步驟3從特定的匹配電路拓?fù)渲杏?jì)算出輸入電路的歸一化阻抗矩陣zi=Zi11Zi12Zi21Zi22]]>和輸出電路的歸一化阻抗矩陣zo=Zo11Zo12Zo21Zo22;]]>以及引入了負(fù)反饋后的晶體管有源電路散射矩陣St=St11St12St21St22.]]>
步驟4將zi轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)移矩陣Ti=AiBiCiDi=1zi21zi11|zi|1zi22,]]>將晶體管有源電路的散射矩陣St轉(zhuǎn)換為Tt=AtBtCtDt=12s211+st11-st22-|st|1+st11+st22+|st|1-st11-st22+|st|1-st11+st22-|st|,]]>將zo轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)移矩陣To=AoBoCoDo=1zo21zo11|zo|1zo22.]]>步驟5計(jì)算放大器整體的轉(zhuǎn)移矩陣Tc=AcBcCcDc=Ti×Tt×To,]]>再將放大器整體的轉(zhuǎn)移矩陣Tc轉(zhuǎn)換為散射矩陣形式Sc=Sc11Sc12Sc21Sc22=1Ac+Bc+Cc+DcAc+Bc-Cc-Dc2Ac2-Ac+Bc-Cc+Dc.]]>電路的電壓駐波比、增益、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)K設(shè)計(jì)指標(biāo)可用以下公式求出VSWRin=1+|Sc11|1-|Sc11|---(21)]]>VSWRout=1+|Sc22|1-|Sc11|---(22)]]>Gain＝10×Log(|Sc21|)(23)NT=NTmin+4RnT0Z0|Si22-Γopt|2(1-|Si22|2)(1-|Γopt|2).---(24)]]>K=1-|Sc11|2-|Sc22|2+|Δ|22|Sc12Sc21|,(Δ=Sc11*Sc22-Sc12*Sc21)---(25)]]>步驟6如果該電路的參數(shù)設(shè)計(jì)出的以上指標(biāo)滿足要求，那么設(shè)計(jì)過程結(jié)束，待定的電路參數(shù)即步驟2中電路參數(shù)值(如實(shí)例中圖7的C1，L1，L2及圖8的C2、L3的數(shù)值)；步驟7否則，修改電路參數(shù)(如實(shí)例中圖7的C1，L1，L2及圖8的C2、L3的數(shù)值)，返回到步驟2。
以FHC40LG型號(hào)PHEMT晶體管為例，在830MHz的S參數(shù)為表格1 FHC40LG型號(hào)PHEMT晶體管830頻段散射參數(shù)f(GHz) |S11| ∠S11 |S21| ∠S21 |S12| ∠S12 |S22| ∠S22
0.83 0.99 -14.88 5.71 164.96 0.01 80.45 0.49 -11.39||和∠分別代表復(fù)數(shù)參數(shù)的模值的幅角。上表給出了晶體管散射矩陣S。
830MHz的噪聲參數(shù)表格2 FHC40LG型號(hào)PHEMT晶體管800頻段噪聲參數(shù)f(GHz) NTmin |Γopt| ∠Γopt Rn0.8330K .95 80.22NTmin為晶體管的最小噪聲溫度；Γopt為晶體管最佳復(fù)數(shù)信源阻抗；Rn為噪聲電阻。以上這些參數(shù)由廠商的手冊(cè)給出。
設(shè)計(jì)指標(biāo)按通信接收機(jī)規(guī)范規(guī)定為表格3實(shí)施例的放大電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)結(jié)果指標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)典型值 本例設(shè)計(jì)結(jié)果VSWRin ＜1.51.11VSWRout＜1.81.42Gain ＞16dB 19.10NF ＜1dB0.71K ＞1 2.11確定以上這些數(shù)據(jù)后，具體實(shí)施方法確定單級(jí)電路形式；根據(jù)晶體管散射矩陣St計(jì)算晶體管K=1-|St11|2-|St22|2+|Δ|22|St12St21|=0.043<1,]]>因此引入負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)Mf，該負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)由一段長(zhǎng)6mm的微帶線組成，然后利用公式(5)計(jì)算包含了負(fù)反饋的晶體管K＝0.7255，得到的包含負(fù)反饋的散射矩陣St=St11St12St21St22;]]>考慮下列因素1)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)呈高通特性；2)在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)流入端口和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)輸出端口必須設(shè)有隔直流電容；規(guī)定隔直電容數(shù)值為50pF；3)電路必須具有一個(gè)旁路用來引入直流偏置；輸入匹配網(wǎng)絡(luò)選擇圖3的原型，考慮輸入網(wǎng)絡(luò)高通約束，采用圖7的實(shí)現(xiàn)形式，各元件如圖所示；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)選擇圖6的原型，采用圖8的實(shí)現(xiàn)形式，各元件如圖8所示；以實(shí)現(xiàn)隔直流和交流耦合結(jié)構(gòu)。
根據(jù)拓?fù)溥M(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，由電網(wǎng)絡(luò)理論公式計(jì)算得到zi=1Z01jωC1+jωL2jωL2jωL2jω(L1+L2),]]>zo=1Z0jωL3jωL3jωL31jωC2+jωL3,]]>進(jìn)一步計(jì)算得到輸入網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移矩陣Ti=zi11zi21|zi|zi211zi21zi22zi21(|zi|=zi11zi22-zi21zi12),]]>輸出網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移矩陣To=zo11zo21|zo|zo211zo21zo22zo21]]>(|zo|＝zo11zo22-zo21zo12)。晶體管有源電路轉(zhuǎn)移矩陣同樣可以通過電網(wǎng)絡(luò)理論公式得到，記為Tt=12st211+st11-st22-|st|1+st11+st22+|st|1-st11-st22+|st|1-st11+st22-+|st|;]]>利用級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)定理和復(fù)數(shù)矩陣乘法得到放大器整體轉(zhuǎn)移矩陣Tc＝Ti×Tt×To(注意相乘的順序)。由電網(wǎng)絡(luò)理論得到放大器整體散射矩陣Sc=1A+B+C+DA+B-C-D2(AD-BC)2-A+B-C-D,]]>A＝Tt11，B＝Tt12，C＝Tt21，D＝Tt22。
利用公式(21)～(25)計(jì)算設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)值，所有參數(shù)只與步驟5)所得Sc矩陣相關(guān)。
如果指標(biāo)滿足要求則結(jié)束，否則重新回到步驟2。
一個(gè)基于以上方法的計(jì)算機(jī)程序在主頻1400MHz內(nèi)存256Mb的PC機(jī)上耗時(shí)92.3630秒尋找到選定匹配型網(wǎng)絡(luò)的全局最優(yōu)參數(shù)值。
得到實(shí)施例1電路經(jīng)過優(yōu)化的參數(shù)表表格4優(yōu)化得到的電路參數(shù)值

相應(yīng)的實(shí)施例1電路設(shè)計(jì)結(jié)果的駐波比、噪聲系數(shù)、增益、穩(wěn)定性系數(shù)K關(guān)鍵指標(biāo)表格5優(yōu)化后的電路指標(biāo)指標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)果
VSWRin1.11VSWRout1.42Gain(dB)19.10NF(dB) 0.71K 2.11為了驗(yàn)證電路的有效性，在復(fù)合介質(zhì)基片上實(shí)際制作了CDMA放大器電路，測(cè)量結(jié)果表明與設(shè)計(jì)符合很好表格6電路在830MHz頻率上測(cè)量結(jié)果指標(biāo)測(cè)量結(jié)果VSWRin1.20VSWRout1.50Gain(dB) 18.20NF(dB)0.89K 2.20結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法是一種準(zhǔn)確的放大器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
權(quán)利要求
1.微波放大電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法其特征在于它是一種由一個(gè)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、包含負(fù)反饋的晶體管和一個(gè)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)依次級(jí)聯(lián)構(gòu)成的微波放大電路，在由計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，它依次包含以下步驟(1)初始化設(shè)定輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的原型電路，該原型電路是由具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者不具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的子電路塊組成的∏型或者T型的2端口電網(wǎng)絡(luò)。或者輸入該原型電路的退化型電路，它們是減少1個(gè)或者2個(gè)部件的∏型或者T型電路，也是2端口電網(wǎng)絡(luò)，但一共只有2種不同結(jié)構(gòu)；這些輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)都可以對(duì)應(yīng)一種只具有輸入信源阻抗和輸出負(fù)載的等效電路形式(常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)采用的描述方法)。上述輸入輸出網(wǎng)絡(luò)以阻抗矩陣描述并存入計(jì)算機(jī)程序中；負(fù)反饋的晶體管以散射矩陣描述并存入計(jì)算機(jī)程序中。設(shè)定目標(biāo)函數(shù)及其指標(biāo)值和它們的計(jì)算程序，存入計(jì)算機(jī)；所述目標(biāo)函數(shù)是輸入電壓駐波比VSWRin、輸出電壓駐波比VSWRout、增益Gain、等效噪聲溫度NT、穩(wěn)定性系數(shù)K中的若干項(xiàng)目或者它們的組合，各目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算公式如下VSWRin=1+|Sc11|1+|Sc11|,---(1)]]>VSWRout=1+|Sc22|1-|Sc22|---(2)]]>Gain＝10×Log(|Sc21|2)， (3)NT=NTmin+4RnT0Z0|Si22-Γopt|2(1-|Si22|2)(1-|Γopt|2),.---(4)]]>K=1-|Sc11|2-|Sc22|2+|Δ|22|Sc12Sc21|,(Δ=Sc11*Sc22-Sc12*Sc21),---(5)]]>其中噪聲電阻Rn，最小噪聲溫度NTmin，最佳信源反射系數(shù)Γopt都由晶體管手冊(cè)給出。所述Sc矩陣為整個(gè)目標(biāo)電路的散射矩陣，Sc=Sc11Sc12Sc21Sc22,]]>它由整個(gè)目標(biāo)電路的轉(zhuǎn)換矩陣Tc變換而來，而轉(zhuǎn)換矩陣Tc＝Ti×Tt×To，其中，Ti是輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的歸一化阻抗矩陣zi=Zi11Zi12Zi21Zi22]]>的轉(zhuǎn)換矩陣；Tt是晶體管有源電路散射矩陣St轉(zhuǎn)化得到的轉(zhuǎn)移矩陣；To是輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的歸一化阻抗矩陣zo=Zo11Zo12Zo21Zo22]]>的轉(zhuǎn)移矩陣；(2)設(shè)定信源阻抗和負(fù)載信源阻抗和負(fù)載的值Z0為50Ω，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)流入端口和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)輸出端口的隔直流電容值，根據(jù)射頻工作頻率上的容抗計(jì)算，取為50pF。(3)確定放大器的級(jí)數(shù)，各級(jí)電路分別設(shè)計(jì)；確定單級(jí)電路的形式在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)具有高通特性且電路必須有一個(gè)旁路以引入直流偏置的要求下，確定輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的電路拓?fù)浜妥鳛樽兞康淖杩乖愋图捌渥兞恐?，所述阻抗元件是電感、或電容、或電阻、或微帶線、或它們的串連或者并聯(lián)電路；選擇晶體管和負(fù)反饋量值先根據(jù)晶體管散射矩陣計(jì)算晶體管的穩(wěn)定性系數(shù)K值，若K＜1，引入負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，該負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)由電容、電阻、微帶線元件或者它們的組合經(jīng)串連或者并聯(lián)而成，但是元件的數(shù)量小于或者等于3個(gè)，設(shè)定元件變量值，再依次計(jì)算K，只到K＞0.6時(shí)便可以確定負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的元件數(shù)值，得到包含負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的散射矩陣St=St11St12St21St22;]]>(4)根據(jù)上述特定的輸入、輸出匹配電路計(jì)算以下各量根據(jù)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)計(jì)算歸一化輸入阻抗矩陣zi=Zi11Zi12Zi21Zi22;]]>根據(jù)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)計(jì)算歸一化輸出阻抗矩陣zo=Zo11Zo12Zo21Zo22;]]>(5)把上述zi變換為轉(zhuǎn)移矩陣Ti=AiBiCiDi=1zi21zi11|zi|1zi22;]]>把上述St變換為轉(zhuǎn)移矩陣Tt=AtBtCtDt=12s211+st11-st22-|st|1+st11+st22+|st|1-st11-st22+|st|1-st11+st22-|st|;]]>把上述zo變換為轉(zhuǎn)移矩陣To=AoBoCoDo=1zo21zo11|zo|1zo22;]]>(6)計(jì)算微波放大電路整體轉(zhuǎn)移矩陣Tc=AcBcCcDc=Ti×Tt×To;]]>(7)把整體轉(zhuǎn)移矩陣變換為散射矩陣Sc=Sc11Sc12Sc21Sc22=]]>1Ac+Bc+Cc+DcAc+Bc-Cc-Dc2Ac2-Ac+Bc-Cc+Dc;]]>(8)根據(jù)公式(1)～(5)計(jì)算輸入電壓駐波比VSWRin、輸出電壓駐波比VSWRout、增益Gain、等效噪聲溫度NT、穩(wěn)定性系數(shù)K的值；(9)判斷步驟(8)得到的目標(biāo)函數(shù)值是否滿足設(shè)計(jì)要求，如果滿足，則把它們作為輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值；否則，修改輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)阻抗元件的值，重復(fù)步驟(4)～(9)，只到VSWRin、VSWRout、Gain、NT、K滿足設(shè)定的指標(biāo)時(shí)為止。
全文摘要
微波放大電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方法屬于微波放大電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它利用∏型或者T型以及退化的∏型或者T型網(wǎng)絡(luò)來改善電路的設(shè)計(jì)效率，降低輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，以轉(zhuǎn)移矩陣來描述并計(jì)算放大電路最優(yōu)的輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)，以散射矩陣來描述并計(jì)算包含負(fù)反饋的晶體管有源電路單元，然后依次變換為整個(gè)放大電路的轉(zhuǎn)移矩陣和散射矩陣，再從整體放大電路的散射矩陣來計(jì)算并優(yōu)化輸入、輸出電壓駐波比、增益、噪聲溫度、穩(wěn)定性系數(shù)。本發(fā)明所述方法經(jīng)過計(jì)算機(jī)執(zhí)行證明它具有準(zhǔn)確、高效、方便的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03F1/56GK1564457SQ20041000346
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月26日
發(fā)明者曹必松, 高飛, 張曉平, 郜龍馬, 高葆新 申請(qǐng)人:清華大學(xué)