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摘要 (i)
Abstract (ii)
1 绪论 (1)
2 功率衰减器的基本性质 (4)
2.1功率衰减器的原理 (4)
2.2 功率衰减器的基本构成 (4)
2.3 功率衰减器的相关参数 (5)
2.4 功率衰减器的技术指标 (6)
2.5 功率衰减器的主要用途 (7)
3 功率衰减器的设计 (9)
3.1 功率衰减器的原理 (9)
3.2 功率衰减器的设计 (9)
3.3 功率衰减器模块的设计制作 (11)
3.4 功率衰减器模块的性能指标 (12)
4 功率衰减器的仿真 (16)
4.1 ADS简介 (16)
4.2 ADS2009的主要特性和新功能 (16)
4.3 ADS软件的仿真分析法 (16)
结论 (16)
致谢 (18)
参考文献 (19)
第1章.绪论
1.1 选题的意义及课题来源
功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。功率衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器
功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻衰减器抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。
构成射频/微波功率衰减器的基本材料是电阻性材料。通常的电阻是衰减器的一大功率衰减器种基本形式，由此形成的电阻衰减器网络就是集总参数衰减器。通过一定的工艺把电阻材料放置到不同波段的射频/微波电路结构中就形成了相应频率的衰减器。如果是大功率衰减器，体积肯定要加大，关键就是散热设计。随着现代电子技术的发展，在许多场合要用到快速调整衰减器。这种衰减器通常有两种实现方式，一是半导体小功率快调衰减器，如PIN管或FET单片集成衰减器；二是开关控制的电阻衰减网络，开关可以是电子开关，也可以是射频继电器。
1.2功率衰减器的主要用途
1、控制功率电平：在微波超外差接收机中对本振输出功率进行控制，获得
光敏衰减器最佳噪声系数和变频损耗，达到最佳接收效果。在微波接收机中，实现自动增益控制，改善动态范围。
2、去耦元件：作为振荡器与负载之间的去耦合元件。
3、相对标准：作为比较功率电平的相对标准。
4、用于雷达抗干扰中的跳变衰减器：是一种衰减量能突变的可变衰减器，平时不引入衰减，遇到外界干扰时，突然加大衰减。从微波网络观点看，衰减器是一个二端口有耗微波网络。它属于通过型微波元件。
1.3功率衰减器的现状
衰减器的应用十分广泛，在大功率的测量中，往往需要通过衰减器将功率降到适合仪器测量的水平。微带型衰减器因其分布参数很小，频响较好等优点，广泛应用于各微波系统中，但由于其体积小，发热集中，且散热路径收到多方面的限制等原因，承受功率收到很大的限制，因此在研制大功率微带衰减器时，散热成为设计的一个主要难点。
功率衰减器在微波超外差接收机中对输出功率进行控制，获得光敏衰减器最佳噪声系数和变频损耗，达到最佳接受效果。在微波接收机中，实现自动增益控制，改善动态范围，用途广泛。
传统的热设计只能根据经验类比或者应用有限的换热公司进行预先估计，生产出成品后再通过实验来检验，若不能满足要求，则要进行修改，再设计，再生产，再检验，如此反复的设计过程，既浪费时间又浪费人力物力。所以，在设计阶段就对其进行有效的仿真是有必要的。
热分析软件能够在衰减器的设计阶段对其进行温度场计算，比较真实的模拟出各衰减电阻的热分布状况，确定出最高温度的位置，然后对其进行改进和优化，最终降低温度最高值，并使温度场处于相对平衡的状态，避免出现局部过热现象。
1.4 本课题的主要研究内容
本课着眼于功率衰减器教学的设计、仿真、应用。但目前市场上所销售的功率衰减器，过于复杂不适用于实验室。所以，我们自主研制开发了射频实验系统。
围绕着射频实验系统的性能要求，主要进行一下方面的工作：
1、针对现有射频人才的紧缺和功率衰减器教学仪器的市场空白，基于功率衰减器原理，研制开发了“射频实验系统”功率衰减器教学仪器。
2、本文介绍了射频实验系统衰减器的各项技术指标和性能指标，并阐述了射频实验系统衰减器的各部分具体实现方案。
3、重点分析了典型的衰减器模块电路，如π型功率衰减器、T型功率衰减器、多级衰减器，以及仿真软件ADS。
4、研究射频实验系统衰减器的误差来源及仿真产生的影响。并通过理论分析和实验测量比较，验证了设计和仿真方案的合理性和有效性。
综上所述，本课题的理论研究和应用研究具有重要的意义和广泛的实际
应用前景。
第2章.功率衰减器的基本性质
2.1 功率衰减器的原理
功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及i其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。功率衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器
2.2 功率衰减器的基本构成
构成射频/微波功率衰减器的基本材料是电阻性材料。通常的电阻是衰减器的一大功率衰减器种基本形式，由此形成的电阻衰减器网络就是集总参数衰减器。通过一定的工艺把电阻材料放置到不同波段的射频/微波电路结构中就形成了相应频率的衰减器。如果是大功率衰减器，体积肯定要加大，关键就是散热设计。随着现代电子技术的发展，在许多场合要用到快速调整衰减器。这种衰减器通常有两种实现方式，一是半导体小功率快调衰减器，如PIN管或FET单片集成衰减器；二是开关控制的电阻衰减网络，开关可以是电子开关，也可以是射频继电器。
2.3 功率衰减器的相关参数
2.3.1衰减：
用于描述传输过程中从一端到另一端的信号减少的量值。可用倍数或同轴衰减器分贝数来表达。
2.3.2 VSWR：
等于特性阻抗与连接在传输线输出端的负载阻抗的比值。
2.3.3 最大平均功率：
在衰减器输出端接特性阻抗时，在指定的最高工作温度上可长期加到衰减器输入端的最大功率。当工作温度降至20ºC，输入功率降到10mW时，衰减器的其它指标不应该发生变化。
2.3.4 插入损耗的功率系数：
当输入功率从10mW到额定功率时，插入损耗的变化值（dB）。
2.3.5 最大峰值功率：
在衰减器输出端接特性阻抗时，在指定的最高工作温度上，在指定的时间内，加到衰减器输入端的5ms脉冲宽度最大峰值功率。当工作温度降至20ºC，输入功率降到10mW时，衰减器的其它指标不应该发生变化。
2.3.6 温度系数：
在最大工作温度范围内插入损耗的最大变化，用dB/ºC表示。
2.3.7 冲击和振动：
衰减器必须承受三个方向的冲击和振动试验。
2.3.8 插入损耗的频率响应：
在20ºC时，整个频率范围内损耗值的变化量（dB）。
2.3.9 工作温度上限：
衰减器工作在最大输入功率时的最高温度(ºC)。
2.3.10 标称插入损耗的偏差：
在20ºC，输入功率10mW时测得的插入损耗和标称值的偏差。
2.3.11 接头寿命：
正常连接/断开的次数；在规定的寿命内所有的电气和机械指标应该满足指
标要求。
2.3.12 互调失真：
互调失真由杂散信号组成，它是由于器件中的非线性因素而产生的。尤其需要关注的是三阶互调失真，因为三阶互调产物最大而且不可被滤除。三阶互调电平的测试方法是将二个等幅的纯净信号（f1和f2）注入到被测器件中，三阶互调将出现在输出频谱的2f1-f2和2f2-f1处。三阶互调产物由相对于f1或f2的大小来定义，由-dBc来表示。
2.4 功率衰减器的技术指标
功率衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻衰减器抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。
2.4.1 工作频带
功率衰减器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器，衰减器才能达到指标值。由于射频/微波数字衰减器结构与频率有关，不同频段的元器件，结构不同，也不能通用。现代同轴结构的衰减器使用的工作频带相当宽，设计或使用中要加以注意。
2.4.2 衰减量
无论形成功率衰减的机理和具体结构如何，总是可以用下图所示的两端口网络来描述衰减器。信号输入端的功率为P1，而输出端得功率为P2，衰减器的功率衰减量为A（dB）。若P1 、P2 以分贝毫瓦（dBm）表示，则两端功率间的关系为P2（dBm）＝P1（dBm）－A（dB）可以看出，衰减量描述功率通过衰减器后功率的变小程度。衰减量的大小由构成衰减器的材料和结构确定。衰减量用分贝作单位，便于整机指标计算。
2.4.3 功率容量
功率衰减器是一种能量消耗元件，功率消耗后变成热量。可以想象，材料结构确定后，衰减器的功率容量就确定了。如果让衰减器承受的功率超过这个极限值，衰减器就会被烧毁。设计和使用时，必须明确功率容量。
2.4.4 回波损耗
回波损耗就是功率衰减器的驻波比，要求衰减器两端的输入输出驻波比应尽可能小。我们希望的衰减器是一个功率消耗元件，不能对两端电路有影响，也就是说，与两端电路都是匹配的。设计衰减器时要考虑这一因素。
2.4.5 功率系数
当输入功率从10mW变化到额定功率时，衰减量的变化系数表示为dB/（dB*W）。衰减量的变化值的具体算法是将系数乘以总衰减量功率（W）。如：一个功率容量50W，标称衰减量为40dB的衰减器的功率系数为0.001dB/
（dB*W），意味着输入功率从10mW加到50W时，其衰减量会变化
0.001*40*50=2dB之多。
2.5 功率衰减器的主要用途
2.5.1控制功率电平：
衰减器在电路中的作用主要是为二极管提供阻抗匹配，减小电路的驻波比。在微波超外差接收机中对本振输出功率进行控制，获得光敏衰减器最佳噪声系数和变频损耗，达到最佳接收效果。在微波接收机中，实现自动增益控制，改善动态范围。
2.5.2去耦元件：
作为振荡器与负载之间的去耦合元件。
2.5.3相对标准：
作为比较功率电平的相对标准。
2.5.4 用于雷达抗干扰中的跳变衰减器：
是一种衰减量能突变的可变衰减器，平时不引入衰减，遇到外界干扰时，突然加大衰减。从微波网络观点看，衰减器是一个二端口有耗微波网络。它属于通过型微波元件。
第3章.功率衰减器的设计
3.1 功率衰减器的原理
功率衰减器的原理框图如图3-1所示。
Port-1 Port-2
功率衰减器
P1 P2
图3-1 功率衰减器的原理框图
其信号输入功率为P1，输出功率为P2。若P1、P2以毫瓦分贝（dBm）表示，并且衰减器的衰减量为AdB,那么输出信号的功率关系可以表示为：
错误！未找到引用源。(dBm)=(dBm)-AdB
即: AdB=-10lg错误！未找到引用源。
3.2 功率衰减器的设计
衰减量固定不变的衰减器称为固定衰减器，衰减量在一定范围内可以调节的衰减器称为可变衰减器。以固定衰减器为例介绍其设计方法。这种衰减器仅由电阻构成。根据其结构可分为T型和π型两种。
Rs1 Rs2 Z1 Z2
Rp
图3-2 T型功率衰减器
功率衰减器是双端口结构，电路利用π型电阻来设计，如图3-3所示。其中Z1、Z2即是电路输入。输出端的特性阻抗。
Z1 错误！未找到引用源。 Z2
P1 P2
错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。
图3-3 π型功率衰减器
其中，Z1、Z2是电路输入、输出端的特性阻抗。根据电路两端阻抗使用的不同，又可分为同阻抗式和异阻抗式。
1、T型同阻抗式（Z1=Z2=Zc）
a=错误！未找到引用源。 , 错误！未找到引用源。= 错误！未找到
引用源。, 错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。
= 错误！未找到引用源。
2、π型同阻抗式
a=错误！未找到引用源。 , Rs = Zc错误！未找到引用源。 , 错
误！未找到引用源。= 错误！未找到引用源。= Zc错误！未找到引用源。
3、T型异阻抗式（Z1≠Z2）
a=
错误！未找到引用源。 , 错误！未找到引用源。= , 错误！未找到引用源。= Z1， 错误！未找到引用源。= -错误！未找到引用源。
4、 π型异阻抗式 a =
错误！未找到引用源。 , Rs = R
R =
错误！未找到引用源。
衰减器是一个功率耗散元件，可以看成一个四端口网络，如图3-3所示：
P1 Zc
P2
图3-4四端口网络
当输出端匹配负载Zc 时，衰减量与功率的关系可以表示为：
B=10lg 错误！未找到引用源。(dB) (1)
其中：P1为输入功率，P2为输出功率。
3.3功率衰减器模块的设计制作
功率衰减器的计算有同阻式和异阻式两种。在实际应用中，大多采用同阻、输入输出特性阻抗为50Ω的形式。所以在输入输出端相连的传输线的特性阻抗均为50Ω。
衰 减 器
功率衰减器是纯电阻网络。电阻的特性是：随着工作频率的升高。电阻的电感效应会逐步明显。因此，功率衰减器在较高频段工作时，实际的衰减量会有部分下降。按照设计公式计算出的电阻，会出现小数的情况，有的电阻值需由两个电阻并联获得。所选电阻与计算值之间的误差应控制在±0.5Ω。调试的时候，主要是观察网络的插入损耗S21指（因为是纯电阻网络，且按50Ω输出阻抗设计，S11都能满足要求）。一般情况下，只要计算无误，电路是不需要另行调整的。
1、10dB、T型同阻抗式固定衰减器。（Z1=Z2=50Ω）
根据上述公司计算得：
错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=35.136
错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=25.988Ω
制作时选用0603±5%的高频贴片电阻，实际电路如图3-5所示。
30Ω//100Ω 36Ω//100Ω
50Ω 50Ω
68Ω//75Ω
图3-5 10dB T型功率衰减器
2/15dB、π型同阻抗式固定衰减器。（Z1=Z2=50Ω）
根据以上述公式计算得：
错误！未找到引用源。 =Zc错误！未找到引用源。=127.6Ω，
错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=Zc错误！未找到引用源。=73.4Ω
制作时选用0603±5%的高频电阻，实际电路如图3-6所示。
50Ω 150Ω 50Ω
75Ω 75Ω
图3-6 15dB π型功率衰减器
3.4 功率衰减器模块的性能指标
该模块的性能指标由美国的Agilent公司的HP8714ES矢量分析仪（频率范围300KkHz-3GHz）
名称适用频率范围主要特性
15dB、π型功率衰减器100-1000MHz 错误！未找到引用
源。≤-10dB
错误！未找到引用
源。=-15±1dB
10dB、T型功率衰减器 100-1000MHz 错误！未找到引用
源。≤-14dB
错误！未找到引用
源。=-10±1dB
第4章．功率衰减器的仿真
4.1 ADS简介
ADS是由美国Agilent公司推出的微波电路和通信系统的仿真软件，是当今业界最流行的微波射频电路、通信系统和RFIC设计软件，也是国内高校、科研院所和大型IT公司使用最多的软件之一。其功能强大，仿真手段丰富，可实现包括时域与频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真功能，并可对设计结果进行成品率分析和优化，提高复杂电路的设计效率，是优秀的微波射频电路、系统信号链路的设计工具，是射频必备的工具软件之一。
4.2 ADS2009的主要特性和新功能
ADS2009增强了图形用户操作界面。该界面源于大部分的网际网络软件工具和搜源引擎，所使用的统一界面开发平台包含搜寻和内容关联感知功能。应用于一般和新型设计的新界面，在速度上的提升，可以使软件工具的整合更加流畅。
ADS2009改善了专案管理，即时放大和平移，互动式3D布局检视，缩放和剖面显示灯功能；改良了LVS同步设计功能，提供了自动化设计的完整控制功能，以确保布局的正确性；更新了设计规则检查功能，可以快速的将绘图导出和导入，使设计到生产的转移过程更加顺利。
另外，ADS2009可以将完整的3D电磁分析功能整合到ADS环境中。整合的电磁设计系统包含了更快速的封装界限绘制操作界面；并且采用最新的多处理器运算架构，包括支持64位处理器；以及更快速的高频暂态模拟功能，以大型电路为例，平均速度提升了6倍之多。
4.3 ADS软件的仿真分析法
1. 高频SPICE分析和卷积分析（Convolution）
高频SPICE分析方法提供如SPICE仿真器般的瞬态分析，可分析线性与非线性电路的瞬态效应。在SPICE仿真器中，无法直接使用的频域分析模型，如微带线带状线等，可于高频SPICE仿真器中直接使用，因为在仿真时可于高频SPICE仿真器会将频域分析模型进行拉式变换后进行瞬态分析，而不需要使用者将该模型转化为等效RLC电路。因此高频SPICE除了可以做低频电路的瞬态分析，也可以分析高频电路的瞬态响应。此外高频SPICE也提供瞬态噪声分析的功能，可以用来仿真电路的瞬态噪声，如振荡器或锁相环的jitter。
卷积分析方法为架构在SPICE高频仿真器上的高级时域分析方法，藉由卷积分析可以更加准确的用时域的方法分析于频率相关的元件，如以S
参数定义的元件、传输线、微带线等。
2.线性分析
线性分析为频域的电路仿真分析方法，可以将线性或非线性的射频与微波电路做线性分析。当进行线性分析时，软件会先针对电路中每个元件计算所需的线性参数，如S、Z、Y和H参数、电路阻抗、噪声、反射系数、稳定系数、增益或损耗等（若为非线性元件则计算其工作点之线性参数），在进行整个电路的分析、仿真。
3.谐波平衡分析
谐波平衡分析提供频域、稳态、大信号的电路分析仿真方法，可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路，得到非线性的电路响应，如噪声、功率压缩点、谐波失真等。与时域的SPICE仿真分析相比较，谐波平衡对于非线性的电路分析，可以提供一个比较快速有效的分析方法。
谐波平衡分析方法的出现填补了SPICE的瞬态响应分析与线性S参数分析对具有多频输入信号的非线性电路仿真上的不足。尤其在现今的高频通信系统中，大多包含了混频电路结构，使得谐波平衡分析方法的使用更加频繁，也越趋重要。
另外针对高度非线性电路，如锁相环中的分频器，ADS也提供了瞬态辅
助谐波平衡(Transient Assistant HB)的仿真方法，在电路分析时先执行瞬态分析，并将此瞬态分析的结果作为谐波平衡分析时的初始条件进行电路仿真，藉由此种方法可以有效地解决在高度非线性的电路分析时会发生的不收敛情况。
4.射频系统分析
电路包络分析包含了时域与频域的分析方法，可以使用于包含调频信号的电路或通信系统中。电路包络分析借鉴了SPICE与谐波平衡两种仿真方法的优点，将较低频的调频信号用时域SPICE仿真方法来分析，而较高频的载波信号则以频域的谐波平衡仿真方法进行分析
5.托勒密分析
拖勒密分析方法具有可以仿真同时具有数字信号与模拟、高频信号的混合模式系统能力。ADS中分别提供了数字元件模型（如FIR滤波器、IIR 滤波器，AND逻辑门、OR逻辑门等）、通信系统元件模型（如QAM调频解调器、Raised Cosine滤波器等）及模拟高频元件模型（如IQ编码器、切比雪夫滤波器、混频器等）可供使用。
6.电磁仿真分析
ADS软件提供了一个2.5D的平面电磁仿真分析功能——Momentum （ADS2005A版本Momentum已经升级为3D电磁仿真器），可以用来仿真微带线、带状线、共面波导等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。所分析的S参数结果可直接使用于谐波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计与验证。在Momentum电磁分析中提供两种分析模式：Momentum微波模式即Momentum和Momentum射频模式即Momentum RF；使用者可以根据电路的工作频段和尺寸判断、选择使用。
结论
5.1 课题的研究成果
随着射频技术在通信领域的飞速发展，射频人才紧缺现象日益增强，对射频人才的要求也日渐提高。为了更好的培养射频人才，增强学生对射频电路设计的制作能力，微波射频教学仪器的研制迫切需要。着眼于此，我们设计开发了“射频实验系统----功率衰减器的设计与仿真”
本文设计实现的射频实验系统，是比较实用的射频教学仪器。它除了具有射频仪器的开发维护费用低廉、可复用和可重配性强、价格低廉、操作方便等优点外，还由于借鉴了网络分析仪误差校准的思想，采用了二端口误差校准标量检测矢量化的方案，既有效地取出了仪器系统测量误差，报账仪器测量精度，又节约仪器成本，提供优质的性价比。同时，在具体的实现上，我们借助于美国Agilent公司的ADS2009软件进行射频电路设计仿真，极大地简化了射频电路调试难度。以上几点是本设计的射频实验系统最主要的创新之处。
总结本文的主要研究成果有以下几个方面：
1、针对现有射频人才紧缺和射频教学仪器的空白，基于网络分析原理，设计实现了“射频实验系统”教学仪器。
2、给出了射频实验系统功率衰减器的各项技术指标及性能指标，并阐述了功率衰减器个部分的具体实验方案。
3、重点分析了典型功率衰减器模块电路，如：T型衰减器、π型衰减器。
4、介绍了ADS2009仿真软件的应用。
5.2 下一步的工作与展望
由于功率衰减器涉及的知识点多、技术难度大，而且由于开发的时间短，本论文还有许多亟待完善之处，下一步我们的工作有：
1、目前设计的射频实验系统功率衰减器大多采用分立元件实现。为更好的使学生掌握射频技术，我们将借助于美国Agilent公司的ADS软件，设计开发微带线结构的功率衰减器单元电路。
2、由于条件限制，没有ADS软件仿真的具体实验方案，后面的工作中，我们将补充完善。
参考文献
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功率分配器设计 功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器的主要技术参数有功率损耗（包括插入损耗、分配损耗和反射损耗）、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、功率容量和频带宽度等。 功分器通常为能量的等值分配，通过阻抗变换线的级联与隔离电阻的搭配，具有很宽的频带特性。 一、滤波器的数学原理 理想功率分配器具有以下3个特点： ●端口1无反射 ●端口2.3输出电压U2和U3幅度和相位相等 ●端口2.3输出功率比值为任意给定值1/k2 根据上面条件，可以得到（11.1）式子： 由传输线理论中提到的四分之一波长传输线阻抗变换理论，可以得到功率分配器两端分支线的特性阻抗为输入端传输线特性阻抗与负载阻抗的几何平均值，它们由式子（11.2）表示：
假设R2=kZ0，代入到（11.1）和（11.2）中，可以得到其他3个参量的值，得到（11.3）： 根据上式（11.3）可以计算出两段分支线的特性阻抗和输出端口的负载阻抗分别为： 通过计算，可以得到输入端口的匹配条件，输出端口的匹配条件以及输入输出端口完全隔离的条件，当这些条件同时满足时，隔离电阻和支线的特性阻抗的关系应为： 二、功率分配器的主要技术参数 ●通带内各端口反射系数 ●通带内量输出端口间的隔离度 ●通带内传输损耗 ●通带内功分比 ●通带内相位平衡度 本设计将一个频率功分器，它的设计指标如下所示。
●工作频率0.9-1.1GHz； ●中心频率1GHz； ●通带内端口反射系数小于-10db； ●端口2和端口3之间的隔离度小于-10db； ●端口1和端口2的传输损耗小于3.1db； 三、设计原理图 把输入端口与两路分支线连接起来，并在两路分支线之间插入隔离电阻TFR，如下图所示。
T型功分器的设计与仿真 1.改进型威尔金森功分器的工作原理 功率分配器属于无源微波器件，它的作用是将一个输入信号分成两个(或多个)较小功率的信号，工程上常用的功分器有T型结和威尔金森功分器。 威尔金森功分器是最常用的一种功率分配器。图1所示的为标准的二路威尔 金森等功率分配器。从合路端口输入的射频信号被分成幅度和相位都相等的两路信号，分别经过传输线Bl和BZ，到达隔离电阻两端，然后从两个分路端口输出，离电阻R两端的信号幅度和相位都相等，R上不存在差模信号，所以它不会消耗功率，如果我们不考虑传输线的损耗，则每路分路端口将输出二分之一功率的信号。 图1威尔金森功分器 但是这种经典威尔金森等功率分配器有几个缺点: 1、大功率应用的时候，要求隔离电阻的耗散功率大因此电阻的体积也会比较大 2、如果功分器应用于较高的频段，波长就会与大功率电阻的尺寸相比拟，这样就需要考虑电阻的分布参数。 3、为了提高功分器性能，就要尽量减小Bl和BZ这两段传输线之间的藕合，因此在实际设计时，要求四分之一波长传输线Bl、BZ之间的距离较大，在低频应用时，由于四分之一波长较长，占用面积还是太大了，此外，四分之一波长传输线Bl、BZ的阻抗较高，因此线宽较细，制板的相对误差更大[24]。为克服这些缺点，本文采用了一种改进型的威尔金森等功率分配器，如图2所示
图2 改进型威尔金森功分器 可以看到，它仅由四段传输线组成，没有隔离电阻。传输线A 、Cl 、CZ 的特 征阻抗均为Z0。传输线B 位于A 和Cl 、CZ 之间，它的电长度为四分之一波长， 特征阻抗为Z0/2。从合路端输入的信号，通过传输线B ，被分成幅度和相位相等的的两路信号，分别经过传输线Cl 和C2到达分路端口一和二，在整个结构中，传输线B 起到了阻抗变换的作用。从传输线A 、B 相接处向左看，输入阻抗为Z0。从传输线B 与C1、C2相接处向右看，输入阻抗为Z0/2。利用四分之一阻抗变换器的原理我们知道，传输线的特征阻抗为2/00Z Z ?，即Z0/2。因此，整个电路处于功率分配与合成时，在中心频点处，三个端口都能匹配良好，没有反射。这种改进型的结构克服了标准威尔金森功分器的一系列缺点，同时由于省略了隔离电阻，所以成本降低，也不存在电阻分布参数的问题，与传统威尔金森功分器相比，减少了一段四分之一波长传输线，另外，构成变换器的四分之一波长传输线B 的特征阻抗较低，线宽较宽，能有效降低制板误差。 2功分器的设计与仿真 通过前面的分析，我们知道改进型威尔金森功分器四段传输线特征阻抗之间 的比例关系。由此可得，传输线A 、C1和C2的特征阻抗均为50Ω，而传输线B 的特征阻抗为352/0=Z Ω 为了实现右旋圆极化，经过C2输出的信号要比经过Cl 的相位超前?90，即Cl 要比C2长λ4/1g (λg 为中心频率所对应的介质波长)。设计的功率分配器 如图3所示，传输线段B 的长度约为λ4/1g ，起阻抗变换的作用。传输线段
东北大学秦皇岛分校电子信息系 综合课程设计 高频功率放大器的设计及仿真 专业名称电子信息工程 班级学号5081112 学生姓名姜昊昃 指导教师邱新芸 设计时间2011.06.20~2011.07.01
课程设计任务书 专业：电子信息工程学号：5081112学生姓名（签名）： 设计题目：高频功率放大器的设计及仿真 一、设计实验条件 Multisim软件 二、设计任务及要求 1.设计一高频功率放大器，要求的技术指标为：输出功率Po≥125mW，工作 中心频率fo=6MHz，η>65%； 2.已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51Ω，晶体管用2N2219，其主要参 数：Pcm=1W,Icm=750mA,V CES=1.5V, f T=70MHz,hfe≥10，功率增益Ap≥13dB（20倍）。 三、设计报告的内容 1.设计题目与设计任务（设计任务书） 2.前言（绪论）(设计的目的、意义等) 3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等） 4.结束语（设计的收获、体会等） 5.参考资料 四、设计时间与安排 1、设计时间：2周 2、设计时间安排： 熟悉实验设备、收集资料：2 天 设计图纸、实验、计算、程序编写调试：4 天 编写课程设计报告：3 天 答辩：1 天
1.设计题目与设计任务（设计任务书） 1.1 设计题目 高频功率放大器的设计及仿真 1.2 设计任务 要求设计一个技术指标为输出功率Po≥125mW，工作中心频率fo=6MHz η>65%的高频功率放大器。 2. 前言（绪论） 我们通过“模电”课程知道，当输入信号为正弦波时放大器可以按照电流的导通角的不同，将其分为甲类、乙类、甲乙、丙类等工作状态。甲类放大器电流的导通角为360度，适用于小信号低功率放大；乙类放大器电流的导通角约等于180度；甲乙类放大器电流的导通角介于180度与360度之间；丙类放大器电流的导通角则小于180度。乙类和丙类都适用于大功率工作。 丙类工作状态的输出功率和效率是上述几种工作状态中最高的。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。 可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。 综上，确定此高频电路由两个模块组成：第一模块是两级甲类放大器；第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，它作为功放输出级，最好能工作在临界状态。此时，输出交流功率达到最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。 3. 系统原理 3.1 高频功率放大器知识简介 在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射设备的重要组成部分。在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，
第9章 功率分配器的设计与仿真 章
在射频/微波电路中， 为了将功率按一定比例分成两路或多路， 需要使用功率分配器 （简 称功分器）。反过来使用的功率分配器是功率合成器。在近代射频/微波大功率固态发射源 的功率放大器中广泛地使用功分器，而且通常功分器是成对使用，先将功率分成若干份， 然后分别放大，再合成输出。 在20世纪40年代，MIT辐射实验室（Radiation Laboratory）发明和制造了种类繁多的 波导型功分器。它们包括E和H平面波导T型结、波导魔T和使用同轴探针的各种类型的功 分器。在20世纪50年代中期到60年代，又发明了多种采用带状线或微波技术的功分器。平 面型传输线应用的增加，也导致了新型功分器的开发，诸如Wilkinson分配器、分支线混合 网络等。 本章分析功分器的设计方法，并利用ADS2009设计中心频率为750MHz的集总参数比 例型功分器和中心频率为1GHz的集总参数等分型功分器，进而给出中心频率为1GHz分布 参数（Wilkinson）功分器的电路和版图设计实例。 【本章重点】 ? 功分器的原理及技术指标 ? 集总参数功分器的设计及仿真 ? Wilkinson 功分器的设计及仿真
9.1 功分器的基本原理
一分为二功分器是三端口网络结构，如图 9-1 所示。信号输入端的功率为 P1，而其他 两个端口的功率分别为 P2 和 P3。由能量守恒定律 2 可知 1 功分器 P2 P 1= P 2+ P 3 （9-1） 3 P1 如果 P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率间的 P3 关系可写成 图 9-1 功分器示意图 P2（dBm）=P3(dBm)= P1（dBm）-3dB 当然，P2 并不一定要等于 P3，只是相等的情 况在实际电路中最常用。因此，功分器可分为等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）两种类 型。
9.1.1 主要技术指标
功分器的主要技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出 间的插入损耗、支路端口间的隔离带、每个端口的电压驻波比等。
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衰减器基础知识 同轴衰减器、射频衰减器、衰减器、高功率衰减器 衰减器，射频微波中简单的一个附件之一，要说哪个射频实验室没有，估计大家都不相信，当然，衰减器的大用户是用来衰减功率或者保护后级。 衰减器按照组成类型来分的话，主要有同轴、波导、PIN二极管等多种形式。同轴衰减器以吸收式也就是我们的衰减片为主。所以在衰减器厂商中能把衰减片做好可是一门绝活，据称一般不外传。 衰减片 先不表IC衰减器，同轴衰减器从应用类型来分，可以分为固定衰减器、手动可调衰减器、可编程衰减器等。在这里要多叨叨一句，如果是可编程衰减器，分为“make before break”（先合后断）和“break before make”（先断后合）两种。如果想衰减值之间无中断地切换的话，应该选择“make before break”类型，否则可能会出现开关切换时的开路状态哈！ 衰减器的主要射频指标 1) 频率范围：这个不用说，大家都明白，还是和其它器件一样，越高频越难做。一般6G以下除了比较高的功率外，我们倾向于认为国产品牌已经做的不错了。 2) 承载功率：这个很讲究。 大家看指标书的时候请务必看一下，标出的一般都是25℃下连续波功率。所以大家在遇到脉冲功率的时候，请务必换算一下脉冲占空比哦。 这里请大家注意哦，如果是同轴衰减器的话，因为是无源功率器件，需要考虑一个温度系数，单位为dB/℃，表征随着温度变化标称衰减值的变化量： 一般随着温度的升高，承载功率是线性下降的。所以如果衰减器的应用环境是室外的高温环境的话，请一定记得提高承载功率，否则衰减器烧毁估计就是妥妥的了。 3）衰减值 既然作为衰减器，衰减值当然是重要的了。一般我们常见到的是3,6,10,20,30,40,50dB。所以如果亲想要一个2.5dB的精密衰减器，这八成就得订做了。
1 课程名称： 高频电路原理 实验名称：高频小信号放大器与高频功率放大器的仿真 一、实验目的： 1.进一步掌握高频小信号调谐放大器和高频功率放大器的工作原理和基本电路结构。 2.掌握高频小信号调谐放大器和高频功率放大器的调试方法。 3.掌握高频小信号调谐放大器各项技术参数（电压放大倍数，通频带，矩形系数）的测试方法。 4.熟练掌握multisim 软件的使用方法，并能够通过仿真而了解到电路的一些特性以及各电路原件的作用 二、实验原理 （一）单调谐放大器 小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。其实验单元电路如图1-1（a ）所示。该电路由晶体管Q 1、选频回路T 1二部分组成。它不仅对高频小信号进行放大，而且还有一定的选频作用。本实验中输入信号的频率f S ＝12MHz 。基极偏置电阻W 3、R 22、R 4和射极电阻R 5决定晶体管的静态工作点。可变电阻W 3改变基极偏置电阻将改变晶体管的静态工作点，从而可以改变放大器的增益。 表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率f 0，谐振电压放大倍数A v0，放大器的通频带BW 及选择性（通常用矩形系数K r0.1来表示）等。 放大器各项性能指标及测量方法如下： 1.谐振频率 放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f 0称为放大器的谐振频率，对于图1-1（a ）所示电路（也是以下各项指标所对应电路），f 0的表达式为 ∑ = LC f π210 式中，L 为调谐回路电感线圈的电感量；
∑C 为调谐回路的总电容，∑C 的表达式为 ie oe C P C P C C 2 221++=∑ 式中， C oe 为晶体管的输出电容；C ie 为晶体管的输入电容；P 1为初级线圈抽头系数；P 2为次级线圈抽头系数。 谐振频率f 0的测量方法是： 用扫频仪作为测量仪器，测出电路的幅频特性曲线，调变压器T 的磁芯，使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点f 0。 2.电压放大倍数 放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数A V0称为调谐放大器的电压放大倍数。A V0的表达式为 G g p g p y p p g y p p v v A ie oe fe fe i V ++-=-=-=∑2 22 1212100 式中，∑g 为谐振回路谐振时的总电导。要注意的是y fe 本身也是一个复数，所以谐振时输出电压V 0与输入电 压V i 相位差不是180o 而是为180o+Φfe 。 A V0的测量方法是：在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量图1-1（a ）中输出信号V 0及输入信号V i 的大小，则电压放大倍数A V0由下式计算： A V0 = V 0 / V i 或 A V0 = 20 lg (V 0 /V i ) d B 3.通频带 由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数A V 下降到谐振电压放大倍数A V0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW ，其表达式为 BW = 2△f 0.7 = f 0/Q L 式中，Q L 为谐振回路的有载品质因数。 分析表明，放大器的谐振电压放大倍数A V0与通频带BW 的关系为 ∑ = ?C y BW A fe V π20 上式说明，当晶体管选定即y fe 确定，且回路总电容∑C 为定值时，谐振电压放大倍数A V0与通频带BW 的乘积为一常数。这与低频放 大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。 通频带BW 的测量方法：是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。测量方法可以是扫频法，也可以是逐点法。逐点法的测量步骤是：先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率f 0及电压放大倍数A V0然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压V S 不变），并测出对应的电压放大倍数A V0。由于回路失谐后电压放大倍 数下降，所以放大器的谐振曲线如图1-2所示。
高效率功率放大器仿真设计 一、指标要求 1.工作频率在1 GHz-3 GHz范围内自由选取，并至少在任意连续150 MHz带宽内都能满足以下指标要求； 2.输出功率大于35 dBm； 3.漏极效率大于60%； 4.最大输出功率点回退6 dB，5 MHz双音间隔测试IM3>30 dBc； 二、设计过程 PA设计的一般步骤一般包括： a.根据放大器的要求和晶体管特性确定静态工作点，即直流扫描； b.进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、偏置电路等； c.对设计的功放进行仿真，若性能不达标，重新设计匹配电路等。 1、直流扫描 打开ADS，插入扫描模板，加入Cree的CGH40010晶体管，设置好扫描参数VGS、VDS的范围及步长，仿真观察结果。 图一直流扫描电路图和仿真结果 由上图，选择datasheet给出的典型值VDS=28V，VGS=-2.7V，此时，IDS.i=219MA，与datasheet给出的200MA近似相等。
2、偏置及稳定性分析 插入S参数扫描面板，加入晶体管，设置好扫描参数范围后开始仿真。观察稳定因子stabfact，若其值小于一，可采取稳定措施，使其在工作频率范围内值大于一，确保稳定工作。 图二加入稳定措施的电路及仿真图 3、LoadPull负载牵引及设计输出匹配电路 在原理图中插入Loadpull模板，更改晶体管，设置各类参数，如Pavs、RFfreq、Vhigh、Vlow等，观察仿真结果，若等效率圆和等功率圆圆心不在扫描范围内，返回原理图重新设定扫描圆心及半径，直至等效率圆和等功率圆圆心在扫描范围内。之后调节负载阻抗仿真中工作点位置，使其工作点位置功率和效率接近Loadpull扫描出的功率和效率值。记下输出阻抗。 图三loadpull电路与仿真结果
微带功率分配器设计 1. 功率分配器论述： 1.1 定义： 功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器。 1.2 分类： 1.2.1 功率分配器按路数分为：2 路、3 路和 4 路及通过它们级联形成的多路功率分配器。 1.2.2 功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。 1.2.2 根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器。 1.2.3 根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。 1.3 概述： 常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线、带状线、同轴腔功率分配器，几者间的区别如下： （1）同轴腔功分器优点是承受功率大，插损小，缺点是输出端驻波比大，而且输出端口间无任何隔离。微带线、带状线功分器优点是价格便宜，输出端口间有很好的隔离，缺点是插损大，承受功率小。 （2）微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功分器先进行分路，然后对输入端和输出端进行匹配。下面对微带线、带状线功率分配器的原理及设计方法进行分析。 2．相关技术指标： 2.1 概述： 功率分配器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。 2.2 频率范围： 频率范围各种射频/微波电路的工作前提，功率分配器的设计结构与工
作频率密切相关。必须首先明确分配器的工作频率，才能进行下面的设计。 2.3 承受功率： 在大功率分配器/合成器中，电路元件所能承受的最大功率是核心指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。一般地，传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要根据设计任务来选择用何种线。 2.4 分配损耗： 主路到支路的分配损耗实质上与功率分配器的功率分配比有关。如理想的两等分功率分配器的分配损耗是3dB，四等分功率分配器的分配损耗6dB，常以S参数S21的dB值表示。 2.5插入损耗： 输入输出间的插入损耗是由于传输线（如微带线）的介质或导体不理想等因素，及端口不是理想匹配所造成的功率反射损耗，常以S参数S21的dB 值表示。 2.6 隔离度： 支路端口间的隔离度是功分器的另一个重要指标。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度，如两支路端口2和3的隔离度用S23或S32的dB值表示。 2.7 驻波比: 在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Ｖmax ，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Ｖmin ，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的声压幅值Vmax与波节处的声压Vmin幅值之比。驻波比是表示两端口合理匹配的重要指标，因此每个端口的电压驻波比越小越好。 2．设计原理： 2.1 分配原理： 微带线、带状线的功分器设计原理是相同的，只是带状线的采用
1 / 5 功率衰减器参数与检测 TP-LINK 内销PE 李悦 一、概述 在无线系统测试中常常需要对从一个设备到另一个设备的信号进行衰减。例如，射频发射机测试中，涉及的功率等级常常从几瓦到几百瓦甚至上千瓦，这么大功率的信号必须得经过衰减以后才可以连接到大部分的测试设备中，否则会对测试设备有损害。一种叫做衰减器的简单电路常常能用来减少信号幅度，而且衰减器不但可以把信号电压衰减到一定值还可以对阻抗值进行变换。 衰减器的技术指标包括衰减器的工作频带、衰减量、功率容量、回波损耗等。工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器,衰减量才能达到指标值；衰减量是指输入信号与输出信号功率的对数值之差；功率容量就是衰减器正常工作时能够承受的最大功率损耗，衰减器是一种能量消耗元件，功率消耗后变成热量。可以想象，材料结构确定后，衰减器的功率容量就确定了；回波损耗指的是传输信号被反射到发射端的比例，可以用驻波比来形容，对于功率衰减器，要求其两端的输入输出驻波比应尽可能小；衰减器是一个功率消耗元件，不能对两端电路有影响，也就是说，与两端电路都是匹配的。 二、两个重要指标 进行衰减器设计时，最基础的两个指标要求如下： 2.1衰减量 无论构成功率衰减的机理和具体结构如何,总是可以用下图所示的二端口网络来描述衰减器。 图中,信号输入端的功率为P 1，而输出端的功率为P 2，衰减器的功率衰减量为A（dB）。若P 1、P 2以分贝毫瓦（dBm）表示,则两端功率间的关系为： 即： 可以看出，衰减量描述功率通过衰减器后功率的变小程度。衰减量的大小由构成衰减器的材料和结构确定。衰减量用分贝作单位,便于整机指标计算。 2.2阻抗匹配 利用电阻构成的T 型或П型网络实现集总参数衰减器，通常情况下，衰减量是固定的，且由三个电阻值决定。两种电路拓扑下图所示。图中Z 1、 Z 2是电路输入端、 输出端的特性阻抗。 T 型功率衰减器； π型功率衰减器 1 2() ()10lg () P mW A dB P mW = (a )(b )Port ‐2 P2 Port ‐1 P1 ()()()21P dBm =P dBm -A dB
基于ADS的功率放大器设计与仿真[图] 0 引言 随着无线通信技术的发展，无线通信设备的设计要求也越来越高，功率放大器作为发射机最重要的部分之一，它的性能好坏直接影响着整个通信系统的性能优劣，因此，无线系统需要设计性能良好的放大器。通过采用EDA工具软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能，进一步优化设计参数，以达到加速产品开发进程的目的。本文仿真设计采用恩智浦半导体的LDMOS晶体管BLF6G27-10G，该晶体管工作频段在2500～2700 MHz之间，直流28V供电。具有很好的线性度，它采用特殊工艺，具有良好的热稳定度。同时使用EDA软件，利用负载牵引和源牵引相结合的方法进行设计，使其输出功率在频率为2.6GHz时达到6.5W。 1 功率放大器的相关设计理论 对于任何功率放大器，它必须在工作频段内是稳定的，同时它应该具有最大的输出功率和最佳的输出效率，因为输出功率决定了通信距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。在功放的匹配网络设计中，需要选择合适的源阻抗和负载阻抗，而他们的选择和功率放大器的稳定性、输出功率、效率以及增益息息相关。 1.1 稳定准则 稳定性是指放大器抑制环境的变化(如信号频率、稳定、源和负载等变化时)，维持正常工作特性的能力，一个微波管的绝对稳定条件是： 在选定的晶体管的工作条件下若满足K>1，则此时放大器处在绝对稳定状态，若不满足此条件，则需进行稳定性匹配电路的设计。 1.2 功率增益 放大器的功率增益(Power Gain)有几种不同的定义方式，在这里只介绍工作功率增益，这是设计时较为关心的量，它定义为负载吸收的功率与放大器的输入功率之比。 1.3 功率附加效率(PAE) 功率附加效率是指射频输出功率和输入功率的差值与供给放大器的直流功率的比值，它既反映了直流功率转化为射频功率的能力，又反映了放大射频功率的能力。 1.4 1dB功率压缩点(P1dB) 当晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益开始下降，或者称为压缩。1dB压缩点为放大器线性增益和实际的非线性增益之差为1dB的点，换句话说，它是放大器增益有1dB压缩的输出功率点。 2 设计步骤 2.1 静态工作点的确定 在晶体管的Datasheet中，给出了漏极(D)的工作电压和电流，因此，需要通过仿真和测试得到栅极(G)电压。在ADS中导入BLF6G27-10G的模型库，建立直流仿真电路，图1就是通过对晶体管BLF6G27-10G进行直流仿真所获得的伏安特性曲线。 与BLF6G27-10G的Datasheet给出数据相比，本例所仿真出来的静态工作点和Datasheet给出数据较接近，并且得到了栅极电压(VGS=1.8V)，因此这样晶体管的静态工作点就确定了。 2.2 稳定性分析和偏置电路 要使晶体管可靠的工作，必须使晶体管在工作的频段内稳定。这一点对于射频功放是非常重要的，因为它可能在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的倾向。因此要对功率管BLF6G27-10G在ADS的环境中进行稳定性分析，在ADS元件面板中调出扼流电感DC_Feed和
民族学院科技学院 信息工程系 课程设计报告书 题目: 高保真音频功率放大器的仿真设计与实现 课程：电子线路课程设计 专业：电气工程及自动化 班级： K0312416 学号： K031241619 学生：吴松祥 指导教师：庆 2015年 1 月 5 日
信息工程系课程设计任务书 2015年 1 月 5 日
信息工程学院系设计成绩评定表
目录 1设计要求及思路 (2) 1.1 题目 (2) 1.2 设计任务 (2) 1.3 设计要求 (2) 1.4 设计思路 (2) 2仿真软件介绍 (5) 2.1 仿真软件概况 (5) 2.2 仿真软件优点及应用围 (5) 2.3 仿真软件版本 (5) 3 电路原理图 (6) 3.1 工作原理论述 (8) 3.2 理论分析 (8) 4 仿真部分 (9) 4.1 仿真曲线分析 (10) 4.2 仿真曲线结论 (13) 5 实物 (14) 5.1 元件清单 (14) 5.2 实物展示 (14) 6 心得体会 (15) 7 参考文献 (16)
1 设计要求及思路 1.1 题目： 高保真音频功率放大器的仿真设计与实现 1.2 设计任务： 根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如：OCL、OTL、或BTL电路。 完成对高保真音频功率放大器的设计、装备与调试。 1.3设计要求： 在8Ω扬声器的负载下，达到10W的输出功率, 频率响应20-20KHz, 效率>60%, 失真小。 1.4设计思路： 1.4.1 功放电路，我们决定在OCL、OTL和BTL电路中选择其一进行设计。 图表 1OTL电路图图表2OCL电路 OTL(Output Transformer Less)电路： 称为无输出变压器功放电路。是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合而无输 出变压器的功放电路，它是高保真功率放大器的基本电路之一，但输出端的耦 合电容对频响也有一定影响。 OTL电路的主要特点有： 采用单电源供电方式，输出端直流电位为电源电压的一半；输出端与负载之间 采用大容量电容耦合，扬声器一端接地；具有恒压输出特性，允许扬声器阻抗 在4Ω、8Ω、16Ω之中选择，最大输出电压的振幅为电源电压的一半，即1/2 V CC，额定输出功率约为 /(8RL)。 OCL(Output Condensert Less)电路： 称为无输出电容功放电路，是在OTL电路的基础上发展起来的。 OCL电路的主要特点有：
电子线路安装实验 —功率放大器电路图设计及Proteus仿真 一、仿真目的 （1）学习proteus仿真和调试 （2）理论结合实际，很好地与电路调试结合； 二、仿真内容 1、话筒放大电路静态工作点、输入输出波形、计算放大倍数、频率响应（幅频特性曲 线和相频特性曲线） (1)静态工作点 由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20kΩ(亦有低输出阻抗的话筒如20Ω，200Ω等)，所以话音放大器的作用是不失真地放大声音信号(最高频率达到10kHz)。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。 放大电路由一个共射放大电路和一个共集放大电路组成，根据理论计算得到：Q1的静态工作点：ub1=0.64v,ue1=0.04 v,uc1=2.14 v Q2的静态工作点：ub2=2.14 v,ue2=1.44 v,uc2=4.29 v 由实际仿真电路图中的电压探针可知： 晶体管Q1 ： UBQ1=0.692，UCQ1=2.171，UEQ1 =0.042， IBQ1=1.632uA，ICQ 1=0.415mA, IEQ1=0.417mA, 晶体管Q2: UBQ2=2.171，UCQ2=4.300，UEQ2=1.516， IBQ2=1.950uA，ICQ 2=0.504mA, IEQ2=0.506mA, β =255倍
可见，实际与理论误差不大，因此该电路能正常工作在放大区。图中C 3 是为了滤掉直流电的叠加，使输出结果仅受交流正弦波影响。 经过proteus调试得出输入、输出波形图如图所示：当电路工作在放大区时， 经理论计算得出，Au=-βR 4/[r be +（1+β）R 2 ]=30 在实际电路中，令输入电压Ui= 5mv，输出电压U0=175mv 得电压放大倍数Au=30，非常接近理论值。 (2)输入输出波形
信电学院 CDIO一级项目设计 说明书 （2014/2015学年第一学期） 课程名称： CDIO一级项目 题目：基于Multisim电路设计仿真 专业班级：通信工程11-02 学生姓名： 学号： 指导教师： 设计成绩： 2015年1月10日
目录 1、CDIO设计目 (1) 2、CDIO设计正文 (1) 2.1功率衰减器介绍 (1) 2.1.1 T型功率衰减器 (3) 2.1.2 π型功率衰减器 (4) 2.2 功率衰减器设计 (5) 2.2.1 功率衰减器设计要求 (5) 2.2.3 基本设计思想 (5) 2.2.4 设计步骤及仿真结果 (5) 4、设计心得 (8) 5、参考文献 (8) 6、附录表格 (9)
1、CDIO设计目的 (1)通过该项目，充分体现CDIO的教学模式，以学生为认知主体，充分调动学生的积极性和能动性，重视学生自学能力的培养。 (2)完成本项目后对本专业与社会政治经济的关系和和谐互动形成一个较清楚的认识。培养学生CDIO能力，巩固查阅文献、查课外书籍的习惯，为后续项目、课程学习等其它内容的开展打下一个良好的基础。 (3)CDIO的设计内容： ①设计一个功率衰减器； ②掌握T型同阻式功率衰减器和π型同阻式功率衰减器的各个参数计算； ③熟悉各单元电路测试点的正常参数； ④学习基本复杂电路的设计原理和具体方法步骤，并对其进行multism仿真； ⑤加深对电路设计技巧及电子电路原理的理解。 2、CDIO设计正文 2.1功率衰减器介绍 功率衰减器是一种能量损耗性射频/微波元件，元件内部含有电阻性材料。衰减器广泛用于需要功率电平调整的各种场合。 衰减器的技术指标 (1) 工作频带。衰减器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器，衰减量才能达到指标值。由于射频/微波结构与频率有关，不同频段的元器件，结构不同，也不能通用。现代同轴结构的衰减器使用的工作频带相当宽，设计或使用中要加以注意。 (2) 衰减量。衰减量描述功率通过衰减器后功率的变小程度。衰减量的大小由构成衰减器的材料和结构确定。衰减量用分贝作单位,便于整机指标计算。 图1 功率衰减器模型
定义: 功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可将称为合路器。 分类： 功率分配器按照路数分为：2路、3路和4路及通过它们级联形成的多路功率分配器。 功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。 根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器 根据电路形式可分为：微带线，带状线，同轴腔体分配器 概述： 常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线，带状线，同轴腔功率分配器，几者间的区别如下： （1）：同轴腔体功分器优点是承受功率大，插损小，缺点是输出端驻波比大，而且输出端口有很好的隔离，缺点是插损大，承受功率小。 （2）：微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功分器先进行分路，然后对输入端和输出端进行匹配。 分配原理： 微带线、带状线的功分器设计原理是相同的，只是带状线的采用的是对称性空气填充或介质板填充，而微带线的主要采用的是非对称性部分介质填充和部分空气填充。下面我们以一分二微带线功率分配的设计为例进行分 图1：一分二功分器示意图 在现有的通信系统中，终端负载均为50Ω，也就是说在分支处的阻抗并联后到阻抗结处应为50Ω。如上图匹配网络，从输入端口看Ω==500Z Z in ，而Ω==50//21in in in Z Z Z ，且是等分的，所以1in Z =2in Z ，①处1in Z 、②处2in Z 的输入阻抗应为100Ω，这样由①、②处到输出终端50Ω需要通过阻抗变换来实现匹配。 功分器功率分析： 我们知道，当从功率分配器的输入端加一功率，由于每一路间的信号是同幅同相的，而且理论上电路是完全匹配的，所以隔离电阻上无功率通过，也就是说不承受功率，所以功分器的功率容量主要根据插入损耗计算出在传输线上损耗的能量，从而计算出能够承受的最大功率即可。 当功分器作为合路器使用时我们可以根据以上隔离电阻原理进行分析，计算出隔离电阻上所承受的功率。 下面以一分二功分器作为合路器，以10W 功率输入为例： （1）：当一输出端输入10W,其它端口接负载时，输入端输出的功率为5W,另一端口输出功率为0，隔离电阻 消耗功率为5W 。 （2）：当功分器两输出端输入同幅同相10W 功率信号，输入端输出功率为20W,隔离电阻不消耗功率。
功率衰减器是一种能量损耗性射频/微波元件，元件内部含有电阻性材料。除了常用的电阻性固定衰减器外，还有电控快速调整衰减器。衰减器广泛使用于需要功率电平调整的各种场合。 原理 1.技术指标工作频带 2.衰减量 3.功率容量 4.回波损耗 5.功率系数 6.基本构成 7.主要用途 8.相关参数 9.种类位移型光衰减器 10.薄膜型光衰减器 11.衰减片型光衰减器 12.注意事项原理 13.技术指标工作频带 14.衰减量 15.功率容量 16.回波损耗 17.功率系数 18.基本构成 19.主要用途 20.相关参数 21.种类位移型光衰减器 22.薄膜型光衰减器 23.衰减片型光衰减器 24.注意事项 原理: 衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻衰减器抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。 技术指标 工作频带 衰减器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器，衰减器才能达到指标值。由于射频/
微波数字衰减器结构与频率有关，不同频段的元器件，结构不同，也不能通用。现代同轴结构的衰减器使用的工作频带相当宽，设计或使用中要加以注意。 衰减量 无论形成功率衰减的机理和具体结构如何，总是可以用下图所示的两端口网络来描述衰减器。图中，信号输入端的功率为P1，而输出端得功率为P2，衰减器的功率衰减量为A （dB）。若P1 、P2 以分贝毫瓦（dBm）表示，则两端功率间的关系为P2（dBm）＝P1（dBm）－A（dB）可以看出，衰减量描述功率通过衰减器后功率的变小程度。衰减量的大小由构成衰减器的材料和结构确定。衰减量用分贝作单位，便于整机指标计算。 功率容量 衰减器是一种能量消耗元件，功率消耗后变成热量。可以想象，材料结构确定后，衰减器的功率容量就确定了。如果让衰减器承受的功率超过这个极限值，衰减器就会被烧毁。设计和使用时，必须明确功率容量。 回波损耗 回波损耗就是衰减器的驻波比，要求衰减器两端的输入输出驻波比应尽可能小。我们希望的衰减器是一个功率消耗元件，不能对两端电路有影响，也就是说，与两端电路都是匹配的。设计衰减器时要考虑这一因素。 功率系数 当输入功率从10mW变化到额定功率时，衰减量的变化系数表示为dB/（dB*W）。衰减量的变化值的具体算法是将系数乘以总衰减量功率（W）。如：一个功率容量50W，标称衰减量为40dB的衰减器的功率系数为0.001dB/（dB*W），意味着输入功率从10mW加到50W时，其衰减量会变化0.001*40*50=2dB之多！ 基本构成 构成射频/微波功率衰减器的基本材料是电阻性材料。通常的电阻是衰减器的一大功率衰减器种基本形式，由此形成的电阻衰减器网络就是集总参数衰减器。通过一定的工艺把电阻材料放置到不同波段的射频/微波电路结构中就形成了相应频率的衰减器。如果是大功率衰减器，体积肯定要加大，关键就是散热设计。随着现代电子技术的发展，在许多场合要用到快速调整衰减器。这种衰减器通常有两种实现方式，一是半导体小功率快调衰减器，如PIN 管或FET单片集成衰减器；二是开关控制的电阻衰减网络，开关可以是电子开关，也可以是射频继电器。 衰减器有以下基本用途：1) 控制功率电平：在微波超外差接收机中对本振输出功率进行控制，获得光敏衰减器最佳噪声系数和变频损耗，达到最佳接收效果。在微波接收机中，实现自动增益控制，改善动态范围。2) 去耦元件：作为振荡器与负载之间的去耦合元
综合课程设计 高频功率放大器的设计及仿真 专业名称电子信息工程 班级学号5081112 学生姓名姜昊昃 指导教师邱新芸 设计时间2011.06.20~2011.07.01
课程设计任务书 专业：电子信息工程学号：5081112学生姓名（签名）： 设计题目：高频功率放大器的设计及仿真 一、设计实验条件 Multisim软件 二、设计任务及要求 1.设计一高频功率放大器，要求的技术指标为：输出功率Po≥125mW，工作 中心频率fo=6MHz，η>65%； 2.已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51Ω，晶体管用2N2219，其主要参 数：Pcm=1W,Icm=750mA,V CES=1.5V, f T=70MHz,hfe≥10，功率增益Ap≥13dB（20倍）。 三、设计报告的内容 1.设计题目与设计任务（设计任务书） 2.前言（绪论）(设计的目的、意义等) 3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等） 4.结束语（设计的收获、体会等） 5.参考资料 四、设计时间与安排 1、设计时间：2周 2、设计时间安排： 熟悉实验设备、收集资料：2 天 设计图纸、实验、计算、程序编写调试：4 天 编写课程设计报告：3 天 答辩：1 天
1.设计题目与设计任务（设计任务书） 1.1 设计题目 高频功率放大器的设计及仿真 1.2 设计任务 要求设计一个技术指标为输出功率Po≥125mW，工作中心频率fo=6MHz η>65%的高频功率放大器。
摘要 通过“模电”课程知道，当输入信号为正弦波时放大器可以按照电流的导通角的不同，将其分为甲类、乙类、甲乙、丙类等工作状态。甲类放大器电流的导通角为360度，适用于小信号低功率放大；乙类放大器电流的导通角约等于180度；甲乙类放大器电流的导通角介于180度与360度之间；丙类放大器电流的导通角则小于180度。乙类和丙类都适用于大功率工作。 丙类工作状态的输出功率和效率是上述几种工作状态中最高的。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。 可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。 综上，确定此高频电路由两个模块组成：第一模块是两级甲类放大器；第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，它作为功放输出级，最好能工作在临界状态。此时，输出交流功率达到最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。 关键词：高频；功率；放大；
智能功率分配器原理 平均户型面积为100m2 ，电力外网设计时平均每户设计标准为6KW，按照建筑物节能率为65%标准，电工暖热负荷不超过34W，耗热指标不超过15W，但为提升温度,实际安装按50W/m2 进行。每户电供暖总负荷为5000W，电视、冰箱、照明小负荷设备，即长时间运行设备总负荷约800W，合计为5800W，未超过每户住宅6KW标准。 智能功率分配器通过实时监控电力负荷，合理分配电流输出，由智能功率分配器中的智能程序启动和停止电供暖负荷。当家用电器达到用电高峰时，电采暖低负荷运行。当家用电器负荷低谷时，电采暖自动开启投入运行。一般住户用电高峰为早、中、晚、三个时间段，时间不超过一天的三分之一，所以不影响电采暖正常使用
随着人们生活水平的提高，家庭中的家用电器越来越多，家庭使用电力负荷也越来越大。在冬季使用电采暖系统时，所有家用电器的实时总负荷将大于电力系统给每户额定输入功率，总负荷增大后，用户的电力系统部安全因素将增加或者不能正常供电。智能功率分配器通过实时监控进户电网功率，根据不同时间与不同用户要求，使用优先方式、分时方式、均分方式合理的分配主功率与电采暖功率的大小，避免了用户实际使用负荷过大问题，使供电电网更加安全。
A：检测进户主负载功率，根据时间与用户要求自动分配电采暖输出功率。 B：检测供电电压，当电压过大时自动保护旁路中的电热线缆。C：三路电采暖负载输出，每一路独立输出最大功率为2KW。D：自动保护电采暖输出回路，电采暖输出回路出现短路、断路时，自动关闭当前电采暖输出回路。 E：实时显示主回路与电采暖回路功率。 F：每天电采暖工作时间不小于16小时，在最低温度下完全满足任何用户的采暖量。 G：完善的故障保护，故障警告。 H：结构尺寸小巧，可以直接安装在用户的进户配电箱中。