2013武汉大学射频试题答案

1．(15分)设计一个系统特性阻抗为50欧姆、中心工作频率为2.xxxGHz的1800混合耦合环，要求用集总参数及分布参数(微带基板参数：介电常数为4.2，介质材料厚度为1.45mm，导带厚度为0.035mm)两种形式实现。通过ads仿真给出两种形式1口和4口激励时各口频率响应特性。解：由题意有中心频率为：2.0+0.024=2.024GHz故：(1)分布参数设计：由ADS中LineCalc计算得微带线长度L=20.586400mm，宽度W=2.870010mm，利用ADS设计及仿真：图1.1分布参数仿真原理图图1.2混合环内部结构图1口激励时各口频率响应特性：图1.31口激励时各口频率响应特性4口激励时各口频率响应特性:图1.44口激励时各口频率响应特性(2)集总参数设计：一段电长度小于180°的传输线可用型结构的分立元件来代替，一段长度大于180°的传输线可用T型结构的分立器件来代替。型网络的转移参量矩阵为：LCLCCjLjLC2221)2(1T型网络的转移参量矩阵为：LCLjLCCjLC222111)12(111先确定型结构参数，长度为90°的传输线的转移参量为：02502500jj相比较得：2501020LLC求得pFCnHL112.1560.5；同理可以确定T错误!未找到引用源。型结构参数，其电容电感取值与型结构参数相同。集总参数ADS仿真：图1.5集总参数仿真原理图图1.61口激励时的仿真结果图1.74口激励时的仿真结果2.(15分)设计一个系统特性阻抗为50欧姆、中心工作频率为(2.4＋0.xxx)GHz、带内波纹为0.5dB、带宽为400MHz、阻带600M处衰减20dB的带通滤波器。要求用集总参数及分布参数(微带基板参数：介电常数为4.2，介质材料厚度为1.45mm，导带厚度为0.035mm)两种形式实现。通过编程计算及ads仿真分别给出各端口频率响应特性并比较两者特性。解：由题意有中心频率为：2.0+0.024=2.024GHz故：1）集总参数形式：选用切比雪夫滤波器并利用ADS仿真设计得：图2.1滤波器设计向导图2.2ADS仿真原理图图2.3滤波器原理图图2.4滤波器参数ADS仿真得到1、2端口频率响应特性：图2.5ADS滤波器频率响应运用MATLAB编程仿真（附录1）：图2.4MATLAB滤波器频率响应2）分布参数设计：①先确定低通原型滤波器。滤波器的阶数可根据2.424GHz处衰减20dB的要求确定。417.1000BWGHZ查表可知，要在1.4174的频点获得20dB的衰减，滤波器阶数为5,0.5dB波纹的5阶切比雪夫滤波器的原件参数为:g0=1，g1=1.7058，g2=1.2296，g3=2.5408，g4=1.2296，g5=1.7058，g6=1②根据如下公式确定耦合传输线的奇模和偶模特性阻抗。然后再根据特性阻抗计算耦合传输线的宽度W和间距S。iZOo(Ω)ZOe(Ω)W(mm)S(mm)L(mm)038.1077.141.98250.302117.9674142.6460.592.59610.997217.5112243.7358.442.66631.279317.4472343.7358.442.66631.279317.4472442.6460.592.59610.997217.5112538.5973.802.10230.356517.8844由ADS得出两端特性阻抗为50ohm微带线参数：W=2.828380mm，L=17.237200mm③根据计算出的耦合线尺寸应用ADS仿真:图2.5ADS滤波器仿真图2.6频率特性MATLAB编程仿真（附录2）：图2.7MATLAB仿真频率特性3.(20分)已知射频晶体管频率为2.xxxGHz时的参数为：Гopt=0.5∠450,Rn=4Ω,Fmin=1.5dB;S11=.3∠300,S12=0.2∠-600,S21=2.5∠-800,S22=0.2∠-150。先采用输入匹配输出不匹配方案设计噪声系数为1.6dB、增益为8dB的放大器；在此基础上设计输入端驻波比不大于1.4的放大器，要求兼顾噪声系数及输出端驻波比指标。给出噪声系数、增益及输出端驻波比并设计出具体匹配电路，针对给定匹配电路计算增益，噪声及驻波比的频率特性。解：由题意有射频晶体管频率为：2.0+0.024=2.024GHz故：（1）输入匹配输出不匹配方案：由要求性能指标画出等G，等F圆（程序见附录3），选出合适的S。如图3.1，取两圆一交点S=0.1061-i0.01414，由*22*11SSLSDS得L=0.3796+i0.0165。又因为SSCinZZ11，所以inZ=61.8414-i1.7691。同理，outZ=111.07+i4.2838。图3.1等G圆和等F圆图3.2输入匹配由图3.2知应在输入端先并一电容585.7fF,再串一电感1.9nH。图3.3输出匹配由图3.3知应在输出端先并一电容808.5fF,再串一电感4.3nH。图3.4匹配电路图（2）在（1）的基础上设计输入端驻波比不大于1.4的放大器，要求兼顾噪声系数及输出端驻波比指标在图中取S=0.1061-0.01414i，求出L=0.3796+0.0165i。同时可以求出in=0.1061+0.01414i，out=0.1470-0.0819i。利用课本上的式5.60和5.59可以求端面的输出驻波比为1.6885，因为输入匹配，所以输入Ti端面驻波比为1。为改善输出驻波比，使输入端口失配，保证输入Ti面驻波比不大于1.4，可以取驻波比为1.2。利用MATLAB编程（程序见附录4），得到：K=1.1780delta=0.5550GT_dB=7.9640VSWRin=1.2000VSWRout=1.5323F_dB=1.5212图3.5smith圆图3.6输入输出驻波比及噪声系数由图可以看出，随S在等驻波比圆上转一周，增益不变，为7.964。输出驻波比及噪声系数是变化的，大约在87度时，对应的S=0.2752+0.1758i，此时输出驻波比最小为1.532，此时噪声系数也接近最小为1.5212。再利用Smith圆图进行匹配，如图3.7、图3.8。由对应的S可以得到inZ=80.3033+31.6050i，由S可以求出L=0.3903+0.4422i，所以同理可以得出outZ=57.4787+77.9516i。图3.7输入匹配图3.8输出匹配从图3.7中可以看出需要在输入端口先并联一个1.1pF的电容，然后串联一个3.6nH的电感即可达到输入端口匹配。从图3.8中可以看出在输出端口需要先并联一个1.1pF的电容，然后串联一个4.5nH的电感即可达到输出端口的匹配。改进后的放大器原理图如下所示：图3.9改进后放大器原理图4．(20分)已知5.xxxGHz时场效应管共源极的S参量为S11＝0.97∠-320，S12＝0.05∠490，S21＝4.50∠1560，S22＝0.59∠-260。设计50Ω负载的一般共栅极振荡器及反射型介质谐振振荡器。介质谐振器的参数为Q0=5000，β=7。全部匹配电路采用分布参数器件(微带基板参数：介电常数为4.2，介质材料厚度为1.45mm，导带厚度为0.035mm)，并画出两种振荡器|Гout|随频率变化曲线.解：由题意有工作频率为：2.0+0.024=2.024GHz故：（1）一般共栅极振荡器：首先将共源极的S参量转换为共栅极的S参量（程序见附录5）：S11=-0.4361-0.0020i，S12=0.1008+0.0372i，S21=1.4327-0.1462i，S22=0.8859-0.1117ik=0.9703为增加FET不稳定性，在栅极连接一电感L。可知当电感L=5.5nH时，Rollet稳定系数最小，k=-0.9997。此时S参量为：S11=-1.0116+0.0537i，S12=-0.2065+0.0344i，S21=1.9931-0.303i，S22=1.2061-0.1742i现让S尽可能接近S11-1，使out尽量大，取S=-0.9986-j0.0523此时Zs=-j1.3，该源阻抗可用开路短截线实现，其电长度为05.88cotoSjZZarc，输出反射系数为：6099.64352.3011122jSDSSSout；其对应的输出阻抗为：64.04711jZZooutoutout；为使Tout*TL=1，选择ZL=Zout。但由于晶体管S参量与输出功率有关，故选择负载阻抗的实部可以略小于-Rout，取ZL=45-0.64i。利用SmithChart对源阻抗和输出阻抗进行匹配。源阻抗匹配：Zs=-j1.3输出阻抗匹配：ZL=45-j0.64图4.1源阻抗匹配图4.2输出阻抗匹配由图4.14.2可知，从Zin到源端的匹配需要并联一个电长度为88.42°阻抗为50Ω的开路线。从Zout到负载的匹配只需串联一个电长度为90°，阻抗为47.5Ω的传输线即可。设计参数计算：5.5nH的电感可以用)2arctan(oZfL=73.913°阻抗为50Ω的短路线来代替。利用软件TXLINE算得设计参数（=4.2，H=1.45mm,T=0.035mm），结果如下表：其中，TL1为源端匹配，TL2代替电感，TL3为输出匹配，电容起隔直作用。TL4，TL5直传输线编号特性阻抗（Ω）电长度(角度)宽度（mm）长度（mm）TL15088.422.99527.9632TL25073.9132.99526.6567TL347.5903.25888.0703接与负载相连，长度任意。④由计算所得参数在ADS中建模为：图4.3ADS建模仿真（2）反射型介质谐振振荡器：采用反射型振荡器电路结构，电容CB起隔直作用，设计的任务为确定的大小及输出匹配电路。由课本式6.11得287jSe，S确定，为使其接近111S，取S幅角等于111S的幅角32°，16。因此S=0.87532°，SSoutSSSS112112221=-0.1786-i1.3503，所以outL1=-0.0963+i0.7278，LZ=13.31+i42.03，考虑负阻成分会减小，取LZ=13+i42.03在SmithChart上将RL匹配至LZ处：图4.4输出匹配图4.5ADS建模仿真在MATLAB中编程（程序见附录6）绘出两种振荡器out~f变化曲线：图4.6图4.75．(15分)已知通信系统的工作频率2.xxxGHz，信道带宽为20MHz，发射及接收天线增益均为15dB，接收机整机噪声系数为6dB，接收机正常工作的信噪比为12dB。若发射机功率管的输出三阶交调截点OIP3(不考虑功放前面电路对总三阶交调截点的影响)为40dBm，功率容量Pout,1dB为31dBm，求270C时系统的最大通信距离。解：由题意有工作频率为：2.0+0.024=2.024GHz故：不考虑系统损耗，则2/1,220max)4(mirttSGGPR由上式知发射功率越大，通信距离会越大；当发射功率超过了一定的数值后，系统会有相当大的失真，其中需要考虑最主要的是三阶交调失真。已知OIP3=Pout+(Pout-IM3)/2，则IM3=3Pout-80（dBm）由于要考虑交调失真，所以min,)/()3(oomiNSFIMKTBS。通信距离可以表示为：min220,2202)/()3()4()4(oorttmirttNSFIMKTBGGPSGGPR其中IM3=3Pout-80（dBm），Pout=Pt令R=f(Pt)。在MATLAB中编程（程序见附录7）画出R-Pout曲线图如