微波放大电路优化设计方法属于微波放大电路设计技术领域，其特征在于它利用∏型或者Ｔ型以及退化的∏型或者Ｔ型网络来改善电路的设计效率，降低输入、输出匹配网络的复杂度，以转移矩阵来描述并计算放大电路最优的输入、输出网络，以散射矩阵来描述并计算包含负反馈的晶体管有源电路单元，然后依次变换为整个放大电路的转移矩阵和散射矩阵，再从整体放大电路的散射矩阵来计算并优化输入、输出电压驻波比、增益、噪声温度、稳定性系数。本发明专利技术所述方法经过计算机执行证明它具有准确、高效、方便的优点。
【技术实现步骤摘要】
微波放大电路的优化设计方法属于微波放大电路的设计和优化
技术介绍
现代移动通信的发展经过了模拟制式到数字制式的发展，而数字移动通信系统也历经了频分复用(FDMA)，时分复用(TDMA)到码分多址(CDMA)无线通信的演进。CDMA方式能够以更加有效的实现带宽换取信噪比。这就是说，提高接收系统的信噪比等效于增加用户数量，所以研究低噪声系数的放大器LNA和前端系统是目前微波通信电路领域研究的重点之一。通信用LNA必须满足特殊的要求，例如低驻波比指标，例如CDMA2000接收机标准规定，放大器输入驻波比低于1.5，输出驻波比必须低于2。以下分别介绍放大电路常用指标的定义及其说明1电压驻波比(VSWR)目前的文献(例如放大器设计文献，)或者没有叙述在放大器设计中如何设计和优化驻波比指标，或者仅仅给出了一种特例，而不能用于优化电路的电压驻波比。驻波比是电磁工程中一种容易测量的量，它说明了微波电磁场能量的传输和反射能量分布状态，例如驻波比1.5意味着输入的能量的4％被反射回参考信源，驻波比1.8意味输入能量的8.2％被反射回参考信源端；理想的驻波比是1，即意味着负载和信源共轭匹配，能量传输达到100％。驻波比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％驻波比损耗还决定数字电路的误码率，实际电路不可能达到驻波比等于1的理想匹配状态，需要设计者优化该指标到极小。2增益增益是指放大电路的负载上得到的信号功率Po与信号源输出的功率Pi的比值，这个值大于1.0才能称该电路为信号放大电路，通常称为放大电路(或放大器)Ga＝(Po)/(Pi)＝|S21|2(1) 增益用分贝值表示Gain＝10*Log(Ga)＝20*Log|S21|(dB)(2)在电路其它参数不变情况下，要求增益值应尽量大。3 噪声系数和等效噪声温度噪声系数是一种描述电路引入加性噪声功率大小的度量。它是噪声因子参数的分贝数值。噪声因子定义为输入信号功率Si和输入噪声功率Ni比值除输出信号功率So和输出噪声功率No，即Nfactor=Si/NiSo/No---(3)]]>用dB值(噪声因子对数的10倍)表示的结果就称为噪声系数，记为NF。NF＝10*Log(Nfactor)(dB)(4)理想的无噪声信号传输网络由于没有附加内部噪声，的输入和输出信噪比相同，即Nfactor＝1，写成噪声系数形式为NF＝0dB。在电路其余参数不变情况下。放大器的噪声系数应该尽量小。在电路中还以等效噪声温度表述噪声性能，噪声温度与噪声系数关系为NT＝(10NF/10-1)*290(K) (5)噪声温度适合描述低噪声系数，它的单位为绝对温标K。4 稳定性系数K稳定性是负载和源变动下放大器反射能量小于输入能量的特性。通过输出能量不大于输入能量稳定工作条件，推导出一种描述稳定性的系数KK=1-|S11|2-|S22|2+|Δ|22|S12·S21|---(6)]]>Δ＝S11*S22-S12*S21；S为晶体管的散射矩阵，Sij为矩阵元素(i，j＝1，2，i行j列元素)。放大电路稳定的充要条件 某些晶体管K＞1，是无条件稳定晶体管，设计时不必考虑K值，它的设计可以参照本专利技术。K＜1称为潜在不稳定晶体管，需要利用匹配网络使整体电路满足公式(7)。微波网络的矩阵描述设电路输入波向量为A，输出波向量为B。A=aoai,B=bobi.,]]>ai、ao分别为输入、输出端入射波，bi、bo分别为输入、输出端的反射波，则微波网络的散射矩阵S定义为B＝S·A(8)在微波领域，端口性质利用散射参数进行描述，因为散射参数能够显式定义传输的能量和反射能量，能够通过实际测量得到；另外描述微波网络的等效的方法有阻抗矩阵z和转移矩阵abcd,]]>V＝Z·I，z＝Z/Z0(9)其中Z0＝50Ω为归一化阻抗。v1i1=abcdv2i2′---(10)]]>v1、v2分别为输入输出端电压，i1为输入电流，i2’为反向输出电流值。这些矩阵的表述不是独立的，从任何一个均可以推导出所有其余表述形式。例如阻抗矩阵z和散射矩阵S之间有如下变换关系＝(-1)(+1)-1；(11)＝(1+)(1-)-1；(12)散射矩阵和转移矩阵abcd]]>之间有如下变换关系=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)]]>阻抗矩阵z与转移矩阵abcd]]>之间变换关系abcd=1z21z11|z|1z22;---(15)]]>本文利用这些矩阵表述和变换作为分析工具。常规的设计和优化低噪声放大器依赖一种称为Smith圆图的方法，步骤是首先作出2张图，分别代表输入反射系数圆图和输出反射系数圆图，在输入反射系数圆上作出等噪声系数圆和等增益圆，然后手工选择一个两者交集内的适当点，或者是依赖其它一些标准来确定其中某个反射系数点，而驻波比则仅仅依赖比较高的增益来保证，因为良好匹配意味传输能量较大，增益较大。这种方法中由于使用了人为的判断，不能保证输入/输出反射系数结果的全局最优。常规利用附图2等效电路的设计方法中不能计算出图1的驻波比。这就是实际设计时驻波比没有得到讨论的原因所在，对双向晶体管模型(大多数的情况)，完全匹配涉及解两个耦合的复数方程，而且无法事先判断解的存在性；对于潜在不稳定晶体管，驻波比完全共轭匹配意味着最大传输增益，而潜在不稳定晶体管的最大增益是无意义的。所以一直没有恰当的方法来精确设计驻波比的约束，凭借的仅是经验和试错方法。于是目前放大器设计普遍采用EDA软件优化技术，EDA软件优化功能都利用赋予指标函数权重的目标函数进行向量搜索。但是这种设计存在以下困难1自动优化功能有限，易陷入一个局部极值点而自动中止；2不能保证全局最优；3发挥EDA软件优化功能需要设计者具有丰富的放大器设计经验，且对不同的有源器件需要不同的设计经验；4计算结果对电路变量数目依赖性大，独立变量数目较少。
技术实现思路
本专利技术的目的是寻找一种保证微波放大器能够设计实现规定的驻波比、增益、噪声系数指标的方法，同时还必须满足稳定性前提；并且该方法应该能够实现全局最优的设计。通过将放大器划分为输入网络、晶体管网络、输出网络3个部分，测量得到待设计晶体管工作频段上典型的散射参数S；并将其转换为转移矩阵Tt，接着确定输入网络的转移矩阵Ti，以及输出网络To，而确定出放大电路转移矩阵Tc＝f(Ti，Tt，To)，从而得到放大电路各项指标值，如驻波比、增益、噪声系数表达式。确定输入输出网络的转移矩阵可以用以下2种方法的任意一种实现1设定输入和输出匹配网络的S参数，通过矩阵转换得到Ti和To；2通过输入输出网络的电路拓扑和元件数值确定输入阻抗矩阵zi和输出阻抗矩阵zo，然后通过矩阵转换为Ti和To；选择电路拓扑下文有详细叙述。本文档来自技高网...
【技术保护点】
微波放大电路的优化设计方法其特征在于：它是一种由一个输入匹配网络、包含负反馈的晶体管和一个输出匹配网络依次级联构成的微波放大电路，在由计算程序实现时，它依次包含以下步骤：（１）初始化：设定输入匹配网络和输出匹配网络的原型 电路，该原型电路是由具有内部结构或者不具有内部结构的子电路块组成的∏型或者Ｔ型的２端口电网络。或者输入该原型电路的退化型电路，它们是减少１个或者２个部件的∏型或者Ｔ型电路，也是２端口电网络，但一共只有２种不同结构；这些输入输出匹配网络都可以对应一种只具有输入信源阻抗和输出负载的等效电路形式（常规设计时采用的描述方法）。上述输入输出网络以阻抗矩阵描述并存入计算机程序中；负反馈的晶体管以散射矩阵描述并存入计算机程序中。设定目标函数及其指标值和它们的计算程序，存入计 算机；所述目标函数是输入电压驻波比ＶＳＷＲ↓［ｉｎ］、输出电压驻波比ＶＳＷＲ↓［ｏｕｔ］、增益Ｇａｉｎ、等效噪声温度ＮＴ、稳定性系数Ｋ中的若干项目或者它们的组合，各目标函数的计算公式如下：ＶＳＷＲ↓［ｉｎ］＝１＋｜Ｓ↓［ｃ１１］｜／ １－｜Ｓ↓［ｃ１１］｜，（１）ＶＳＷＲ↓［ｏｕｔ］＝１＋｜Ｓ↓［ｃ２２］｜／１－｜Ｓ↓［ｃ２２］｜，（２）Ｇａｉｎ＝１０×Ｌｏｇ（｜Ｓ↓［ｃ２１］｜↑［２］），（３）ＮＴ＝ＮＴ↓［ｍｉｎ］＋４Ｒ↓［ｎ］Ｔ ↓［０］／Ｚ↓［０］｜Ｓ↓［ｉ２２］－Γ↓［ｏｐｔ］｜↑［２］／（１－｜Ｓ↓［ｉ２２］｜↑［２］）（１－｜Γ↓［ｏｐｔ］｜↑［２］），。（４）Ｋ＝１－｜Ｓ↓［ｃ１１］｜↑［２］－｜Ｓ↓［ｃ２２］｜↑［２］＋｜Δ｜↑［２］／２｜Ｓ ↓［ｃ１２］Ｓ↓［ｃ２１］｜，（Δ＝Ｓ↓［ｃ１１］＊Ｓ↓［ｃ２２］－Ｓ↓［ｃ１２］＊Ｓ↓［ｃ２１］），（５）其中噪声电阻Ｒ↓［ｎ］，最小噪声温度ＮＴ↓［ｍｉｎ］，最佳信源反射系数Γ↓［ｏｐｔ］都由晶体管手册给出。所述Ｓｃ矩阵为整 个目标电路的散射矩阵，Ｓｃ＝＊，它由整个目标电路的转换矩阵Ｔｃ变换而来，而转换矩阵Ｔｃ＝Ｔｉ×Ｔｔ×Ｔｏ，其中，Ｔｉ是输入匹配网络的归一化阻抗矩阵ｚ↓［ｉ］＝＊的转换矩阵；Ｔｔ是晶体管有源电路散射矩阵Ｓｔ转化得到的转移矩阵；Ｔｏ是输出匹配网络的归一化阻抗矩阵ｚ↓［ｏ］＝＊的转移矩阵；（２）设定信源阻抗和负载：信源阻抗和负载的值Ｚ０为５０Ω，输入匹配网络的信号流入端...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曹必松，高飞，张晓平，郜龙马，高葆新，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。