射频小信号高增益放大器设计
2.4GHz射频功率放大器的设计
毕业论文（设计）论文（设计）题目：2.4GHz射频功率放大器的设计目录中文摘要 (1)Abstract (2)第一章绪论 (3)第二章理论基础 (5)2.1 二端口网络 (5)2.2 技术指标 (6)2.2.1 输出功率 (7)2.2.2 功率增益 (8)2.3 匹配网络 (9)2.3.1共轭匹配 (11)2.3.2负载牵引 (11)2.4 传输线理论简介 (12)2.5 ADS软件简介 (12)第三章电路设计 (14)3.1器件选型和功率分配 (14)3.1.1器件选型 (14)3.1.2 功率和增益分配 (14)3.2 单级放大器设计 (15)3.2.1功率级（Power stage）设计 (15)3.2.2驱动级（Driver stage）设计 (23)3.2.3 两级功率放大器系统设计 (26)第四章总结与展望 (29)谢辞 (30)参考文献 (31)附录翻译 (33)中文摘要近年来，RFID技术的应用在全球掀起一场热潮。
2.4G技术标准由于它的广泛应用，更是成为技术和市场领域的宠儿。
RFID最重要的部分是发射机，而射频功率放大器作为发射机的核心部件，它的性能是制约整个RFID系统性能和技术水平的关键因素。
本文介绍了基于ADS用于RFID系统的2.4GHz射频功率放大器的硬件电路设计方法。
整个系统以MOSFET器件为核心功放晶体管，在2.4GHz、工作电压为3.3V 条件下，采用两级功放级联方式，前端驱动级工作于小信号状态，为后端提供高功率增益，后端功率级工作于大信号，提供高功率输出。
级联之后的效果是实现了27dB功率增益和高达近27dBm功率输出。
该系统主要应用于超高频射频识别读写器系统。
本文深入探讨了整体硬件电路的设计方案，详细阐述了电路设计的原理和方法，最后给出了具体的实现过程。
关键词：GaAs FET；RFID；ADS；2.4G无线系统；射频功率放大器AbstractIn recent years, RFID technology has led to a boom in the world. 2.4G technology standard has become a cosset of the technology and market field, just because of its wide range of applications. Transmitter is the most important part of the RFID system. As the core component of a transmitter, the performance of RFPA becomes to the key factor restricting capability and technical level of the whole RFID systemThis paper introduces a method of 2.4GHz RFPA hardware circuit designing used in RFID system based on ADS. The entire system using MOSFET component as the core power transistor contains two-stage cascade amplifiers working in 3.3V supply voltage, 2.4GHz. The driver-level works in small-signal state, providing high power gain for the back-end; power-level works in large-signal state, providing high output-power for the load. The effect after cascade is to achieve a 27dB power gain and a 27dBm output-power.We discuss the blue print of the overall hardware circuit design in this paper, expatiate the principles and methods of circuit design in detail, and finally give a concrete realization of the process.Key words: GaAs FET; RFID; ADS; 2.4G wireless system; RF Power Amplifier第一章绪论随着人类社会进入信息时代，无线通信技术有了飞速的发展，尤其是射频微波通信技术的产生和发展无疑对无线通信技术的发展起到了决定的作用。
射频放大器设计
3.6射频放大器
3.6.1射频放大器的作用
在通信系统中，到达接收机的射频小信号放大电路的射频信号电平多在微伏数量级。
在多数情况下，信号不是单一频率的，而是占有一定频谱宽度的频带信号。
另外，在同一信道中，可能同时存在许多偏离有用信号频率的各种干扰信号，因此射频小信号放大电路除有放大功能外，还必须具有选频功能。
射频小信号放大器电路分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类。
宽频带放大电路对几兆赫兹至几百兆赫兹（甚至几吉赫兹）较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大，故要求放大电路具有很低的下限截止频率（有些要求到零频即直流）和很高的上限截止频率。
宽频带放大电路也是由晶体管、场效应管或集成电路提供电压增益。
为了展宽工作频带，不但要求有源器件具有好的高频特性，而且在电路结构上也会采取一些改进措施，例如采用共射共基组合电路和负反馈。
3.6.2射频放大器电路及原理
本节选用单级单调谐放大电路可由双极型晶体管、场效应晶体管、射频集成电路和并联谐振回路组成。
一个共发射极的晶体管单调谐放大器电路如图3-10所示。
图中R1、R2、R3是工作点偏置电阻，C1为耦合电容，C3为旁路电容。
电感L的原边线圈AC端为N1，AB端为N0，副边线圈为N2。
L与电容C2构成LC谐振电路，作为放大器的集电极负载，起选频作用。
LC谐振电路采用抽头接入法，以减轻晶体管输出电阻对谐振电路Q值的影响。
最后输出端接发射天线，将信号发射出去。
图3-10单机单调谐放大电路。
小信号放大器设计
单向化最大增益设计
最大单向化功率增益：
如果|S11|<1、 |S22|<1，且输入、输出端口都匹配， 即有：
S , S s i n 1 1 L o u t 2 2
2
G S TU max 21 2 2 1 S 1 S 11 22
G
L m ax
2 2 2
C1
C1 C2
＝0.3∠-18o ＝0.12∠69o
( 1 ) ( 1 ) S21 S 2 1 M L M s 2 G G (k k 1) T m a x 2 T max ( 1 S ) ( 1 S ) S S 1 1 M S 2 2 M L 2 11 2 M L M S S12
双向最大增益设计
设实际信号源及负载阻抗都等于传输线特性 阻抗，Z Z Z 即 0 双共轭匹配要求输入网络使Γs’变换到Γs，输 出网络使ΓL’变换到ΓL，且同时满足以下联立 方程：
S L 0
S
L
S S S 21 12L 11 L S s in 11 1 S 1 S 22L 22L
根据上面求出的 ΓMS 和ΓML，最佳匹配条件可以 表示为：
S MS 11 1 S22 ML
S21 S 12 ML
S22 ML
S21 S 12 MS 1 S 11 MS
由此可见，忽略了输入、输出耦合效应的单向 化设计法是双共轭匹配设计法的一部分。
双向最大增益设计
晶体管是否为绝对稳定？ 最大增益对应的源反射系数和负载反射系数
射频和微波放大器设计
为B类工作旳放大器称为AB类放大器。
➢ C 类（丙类）放大器 • 放大器在整个信号周期内，晶体管在工作区工作旳时间
明显少于半个信号周期旳放大器为C类放大器。
小信号放大器设计
小信号放大器设计旳基 本环节
选择合适旳器件或芯片 o 工作频率 o 增益 o 噪声 o 功率电平
小信号放大器设计
窄带放大器设计 o 工作带宽不大于10%旳放大器可以为是窄带放大器
窄带放大器分类 最大增益放大器 高增益放大器 最低噪声放大器
高增益放大器设计举例
例 15.1 设计一工作频率为3GHz，增益为15dB旳放大器，选择如
下S参数旳双极晶体管（VCE=4V ，IC=5mA）：
宽带放大器（BBA）设计 ——负反馈技术（分析）
➢ 取得最小输入和输出驻波比旳条件
➢ 设计举例
宽带放大器（BBA）设计 ——负反馈技术（高频情况）
伴随工作频率旳增长，S21旳相位将趋向于900， 也就是说可能出现正反馈旳成份，由此引起放 大器旳不稳定，为了确保放大器旳稳定性，能 够在并联反馈元件上附加一种串联电感，以变 化反馈分量旳相位。
功率放大器旳最小信号电平和动态范围
最小信号电平 放大率Po,mds，必须不小于放大器旳输出噪声功率。 • Po,mds定义为高于输出噪声功率电平 x 分贝。
或
功率放大器旳最小信号电平和动态范围
功率放大器旳动态范围 功率放大器旳动态范围定义为放大器旳线性最
交调对接受系统旳影响分析
对于窄带功率放大器，除了三阶交调项（即 2f1-f2和2f2-f1）外，全部附加旳频率分量都能 够经过滤波器被滤除掉。
设计一个射频小信号放大器
设计⼀个射频⼩信号放⼤器题⽬:设计⼀个射频⼩信号放⼤器概述⾼频⼩信号放⼤器是通信设备中常⽤的功能电路，它所放⼤的信号频率在数百千赫⾄数百兆赫。
⾼频⼩信号放⼤器的功能是实现对微弱的⾼频信号进⾏不失真的放⼤，所谓⼩信号,⼀是信号幅度⾜够⼩,使得所有有源器件(晶体三极管,场效应管或IC)都可采⽤⼆端⼝Y参数或线性等效电路来模型化;⼆是放⼤器的输出信号与输⼊信号成线性⽐例关系.从信号所含频谱来看，输⼊信号频谱与放⼤后输出信号的频谱是相同的。
⾼频⼩信号放⼤器的分类：按元器件分为：晶体管放⼤器、场效应管放⼤器、集成电路放⼤器;按频带分为：窄带放⼤器、宽带放⼤器;按电路形式分为：单级放⼤器、多级放⼤器;按负载性质分为：谐振放⼤器、⾮谐振放⼤器;.⾼频⼩信号谐振放⼤器除具有放⼤功能外,还具有选频功能,即具有从众多信号中选择出有⽤信号,滤除⽆⽤的⼲扰信号的能⼒.从这个意义上讲,⾼频⼩信号谐振放⼤电路⼜可视为集放⼤,选频⼀体,由有源放⼤元件和⽆源选频⽹络所组成的⾼频电⼦电路.主要⽤途是做接收机的⾼频放⼤器和中频放⼤器.其中⾼频⼩信号调谐放⼤器⼴泛应⽤于通信系统和其它⽆线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是⾮常微弱的，这就需要⽤放⼤器将其放⼤。
⾼频信号放⼤器理论⾮常简单，但实际制作却⾮常困难。
其中最容易出现的问题是⾃激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。
本⽂以理论分析为依据，以实际制作为基础，⽤LC振荡电路为辅助，来消除⾼频放⼤器⾃激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放⼤器与前后级的阻抗匹配。
2电路的基本原理图2-1所⽰电路为共发射极接法的晶体管⾼频⼩信号单级单调谐回路谐振放⼤器。
它不仅要放⼤⾼频信号，⽽且还要有⼀定的选频作⽤，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。
在⾼频情况下，晶体管本⾝的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放⼤器输出信号的频率或相位。
晶体管的静态⼯作点由电阻R b1、R b2及Re决定，其计算⽅法与低频单管放⼤器相同。
增益可控射频放大器设计方案
增益可控射频放大器设计方案
要设计一个增益可控的射频放大器，可以采用以下方案：
1.选择合适的放大器架构：常见的射频放大器架构有共集、共基和共射极。
其中，共基架构通常具有较高的输入和输出阻抗匹配，适用于宽频段的应用；共射架构具有较高的增益和较低的噪声，适用于功率放大器设计。
2.选择合适的放大器器件：根据设计要求选择合适的射频晶体管或场效应管。
通常情况下，选择具有较高的增益、较低的噪声系数和适当的功率容量的器件。
3.匹配网络设计：使用合适的匹配网络来实现输入输出的阻抗匹配。
匹配网络可以提高电路的功率传输效率，减小反射损耗，并实现最优的功率增益。
4.增益控制电路设计：可以采用可变电容、电阻、电感等元件来实现增益的可调控。
通过调整这些元件的参数来控制放大器的增益。
5.稳定性分析和设计：进行稳定性分析，确保放大器在工作范围内保持稳定。
可以采取稳定性增强措施，如添加稳定性网络或者改进反馈电路。
6.射频线路设计：布局射频线路时，要尽量避免回授、干扰和串扰。
采用合适的屏蔽和分离技术，以减小射频线路的损耗和干扰。
7.仿真和测试：使用射频模拟软件进行电路仿真，验证设计的性能，并进行测试调整和优化。
以上是一般的增益可控射频放大器设计方案，具体的设计流程和细节还需要根据具体的应用环境和要求来调整。
增益可控射频放大器设计方案
增益可控射频放大器设计方案射频放大器是无线电通信中不可缺少的元器件之一，它的作用是将低功率的射频信号放大到足以驱动天线发射或接收的功率水平，是保证无线电通信质量的重要组成部分。
而在实际应用中，往往需要按照不同的应用场合、不同的工作模式设置不同的功率增益，这时候使用增益可控射频放大器就成为了一种必要且经常使用的方案。
增益可控射频放大器，顾名思义，就是可以根据用户设定的要求进行动态增益控制的射频放大器。
在其设计中，往往需要考虑到多种因素，包括放大器的带宽、线性度、增益稳定性、功耗等方面。
基本的设计方案可以分为两大方面，分别是电路拓扑的选择和控制驱动方法的选择。
第一部分，电路拓扑的选择1. 原理图分析在增益可控射频放大器的设计中，常见的电路拓扑有改变可变电容或电感的电容电感电路、改变偏压源或驱动功率的静态偏压调整电路、改变偏置电阻值的偏置调整电路等多种方案。
上述不同方案的电路拓扑有其各自的特点和适用范围，选用时应根据具体的应用场景和要求进行选择和优化。
2. 频带选择射频放大器的高频特性对于增益可控射频放大器的设计也非常重要。
在选择电路拓扑设计时，应优先考虑实现所需的频带扩展和增益线性特性。
单极型、双极型电路和互补式等电路拓扑结构被广泛应用于高频应用中，并且具有良好的频带性能和线性特性，因此可以作为首选方案。
3. 加工工艺为了满足射频电路在工艺制作和组装时的要求，应选择符合工艺流程和成本控制的电路方案，保证后续工艺步骤的顺利执行和成品的质量稳定性。
第二部分，控制驱动方法的选择1. 改变控制电压增益可控射频放大器的一个显著特点就是可以通过改变控制电压实现增益的可调。
可以采用变阻器、开关或数字锁存等控制方法实现控制电压的可变，再通过一定电路对电压进行转换和放大，实现对放大器增益的控制。
2. 功率反馈控制功率反馈控制是另一个常用的控制方法，通过将反馈电路接收到的功率信号与输出信号进行比较和控制，实现了对信号的自适应控制。
小信号放大器设计
输出阻抗
放大器输出端对负载的阻抗， 影响信号的传输标，影响放大器的信噪比 性能。
02
小信号放大器基本原理
放大器组成及工作原理
中间级
放大输入信号，提 供足够的电压增益。
偏置电路
为各级提供合适的 静态工作点。
输入级
接收微弱信号，提 供适当的输入阻抗 以匹配信号源。
失真度
衡量放大器输出信号 波形的失真程度，影 响信号的保真度。
03
设计方法与步骤
需求分析
明确放大器的性能指 标，如增益、带宽、 噪声系数等。
分析应用场景，了解 对放大器的特殊需求， 如低功耗、高线性度 等。
确定输入信号的特性 和范围，如频率、幅 度等。
拓扑结构选择
根据性能指标选择合适的放大器 类型，如低噪声放大器、宽带放
低噪声
减小放大器自身产生的噪声对信号的 影响。
关键性能指标
增益
衡量放大器放大信号 的能力，通常用电压 放大倍数表示。
输入/输出阻抗
衡量放大器与信号源 或负载的匹配程度， 影响信号的传输效率。
带宽
衡量放大器对不同频 率信号的放大能力， 通常用频率响应曲线 表示。
噪声系数
衡量放大器自身产生 的噪声对信号的影响 程度，影响信号的信 噪比。
带响应（>1MHz）。
06
测试与评估方法
测试方案制定
明确测试目的
确定小信号放大器的性能指标，如增益、带宽、噪声系数等。
选择合适的测试信号
根据放大器特性和测试需求，选择适当的输入信号，如正弦波、方 波等。
制定测试步骤
包括测试前的准备工作、测试过程中的操作顺序和数据记录等。
测试环境搭建及仪器配置
测试环境选择
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最佳输入反射系数ΓSm=-0.7966-0.0332i
最佳输出反射系数ΓLm=0.7430+0.340i
最大转换增益GTmax=19.98dB。
实验总结：
通过这次实验，对射频放大器的相关理论知识有了较好的理解，比如，放大器的稳定条件的判断，放大器的匹配原则，如向前看，向后看，到底哪个更容易实现匹配，对操作的简单化，对史密斯圆图来匹配放大的知识有了了解，如其中的噪声圆，增益圆的相关关系，通过实验，把老师讲的知识理解的比以前通透。对HFFS软件来设计微带线天线有了了解。通过老师的实验讲解，对微带天线的原理，参数及设计方法有了初步的接触，由老师对其电场和磁场的动画演示，客观的理解微带天的工作原理。获益匪浅。
微带传输线适当变形也可以实现辐射，制成微带天线
在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片作为辐射元，就构成了微带天线。最简单的微带天线是在介质基片上贴加矩形导体薄片而形成的矩形微带天线
右图给出了矩形微带辐射元的示意图，其中介质基片的厚度为h，矩形贴片的长度为L，宽度为d，与宽度为W的导带相连接。
由于介质基片的厚度h远远小于工作波长，可以认为导体贴片与接地板之间的电场沿h方向没有变化。
放大器的线性工作范围。最小输入功率为接收灵敏度，最大输入功率是引起1 dB压缩的功率。
DR(dB)=P1dB(dBm)+174dBm/Hz-BW(dBHz)-NF(dB)-G(dB)
))放大器的功率附加效率
2.射频放大器的设计原理及匹配技术
放大器电路框图
高增益放大器的阻抗匹配技术
找到(GMS, GML)满足gain matching conditions: GMS=GIN* and GML=GOUT
射频放大器和微带天线实验报告
学号：
实验目的：
1.进一步熟悉ADS软件应用
2.学会对射频放大器稳定条件的判断
3.熟悉史密斯圆图对晶体管的匹配应用
4.了解软件HFFS对微带天线的设计
实验仪器
微波无源试验箱一台矢量分析仪一台电脑一台
实验原理
放大器可分为：
高增益放大器、低噪声放大器、中-高功率放大器。
电路组态按工作点的位置依次为A类、B类、C类，如图5-1 (a)、(b)、(c)所示。
在主模TEM波激励情况下，导体贴片的长度L=g/2。这样，贴片与接地板之间以及贴片边缘处将形成下图所给出的电场分布。从图(a)和(b)中可以看出，这段传输线两端边缘处电场强度矢量E既有垂直分量又有水平分量由于长度L=g/ 2，传输线两端边缘处电场强度矢量E的垂直分量相位相反，水平分量的相位相同。
试利用AT41511设计一个900MHz放大器。其中电源为12VDC，输入、输出阻抗为50Ω。AT41511之S参数表(VCE=8V，IC=25mA，Z0=50Ω，TA=27℃)如下列。
经公式计算结果，电晶体之K值在设计频率上大于1，为绝对稳定。此结果亦可由「输入输出稳定圆」来验证。输入稳定圆之圆心距离大小| CS| = 2.675大于其半径大小RS= 1.644，而且输出稳定圆之圆心距离大小| CL| = 4.123亦大于其半径大小RL= 3.085，故可证得为绝对稳定。而计算所得「单向化评价因子」U = 0.09 > 0.03，所以不可以用单向化设计，而须采用双向设计。
AT41511之900MHz处S参数
S11
Mag 0.042
Ang 66°
S12
Mag 0.44
Ang -179
Mag 6.19
Ang 81°
S22
ห้องสมุดไป่ตู้Mag 0.5
Ang -22°
步骤一：设定放大器操作频率（f0）与输出入阻抗（RS，RL）。一般射频放大器的输出入阻抗设定为50Ω。
步骤二：依供应电源限制选用电晶体元件及设定电晶体之偏压条件（VCE，IC），以决定出在该条件下之电晶体的S参数（S11、S21、S12、S22），并设计其适用之偏压电路。
常用的放大器绝对稳定判据充要条件
|S11|< 1 and |S22|< 1
Stability factor K
||< 1-1/2(|S11|-|S22|)2
常用的放大器绝对稳定判据充要条件
微带天线原理
天线辐射电磁波的原理
导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射。
辐射的能力与导线的长短和形状有关。
当天线可与波长相比拟时，发射效率越高
步骤五：检查M值是否够小。若M值接近0.03（-15dB）则适用单向化设计，可得ΓS=S11*及ΓL= S22*且及其最大增益即为GTU,max；若M值较大于0.03（-15dB）则须用双向设计，可得ΓS=ΓSm及ΓL=ΓLm且及其最大增益即为GT,max
步骤六：利用步骤五所得ΓS及ΓL设计输出入匹配电路
步骤三：将步骤二所获得的S参数代入前述公式以计算出下列设计参数。
「稳定因子」，K
「单向化评价因子」，U
「最大单向转换增益」，GTU,max
「输入稳定圆」之圆心，CS及半径，RS
「输出稳定圆」之圆心，CL及半径，RL
「最佳输入反射系数」ΓSm
「最佳输出反射系数」ΓLm
步骤四：检查K值是否小于1。若K值大于1，则为绝对稳定可进行下一步骤。若否，则须将输出入稳定圆标示于单位圆之史密斯圆图上，以方便设计输出入匹配电路时，避免使用到不稳定区域。