【正文】 為總結(jié)和研究前景的展望，分析了研究中的不足和思考，提出了一些有利于進一步研究的問題。4天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2012屆本科生畢業(yè)設(shè)計2 低噪聲放大器理論綜述 史密斯圓圖P．H．Simth開發(fā)了以保角映射原理為基礎(chǔ)的圖解。這種方法的優(yōu)點是有可能在同一個圖中簡單直觀地顯示出傳輸線阻抗以及反射系數(shù)。反射系數(shù)(reflection coefficient)能用下式的復(fù)數(shù)形式表達出來： (21)其中，是電路的負(fù)載值,是傳輸線的特性阻抗值，通常會使用50Ω。圖21 等電阻圓和等電抗圓圖 圖21是史密斯圓圖中的等電阻圓和等電抗圓圖。圖中的圓形線代表電阻抗力的實數(shù)值，即電阻值，中間的橫線與向上和向下散出的線則代表電阻抗力的虛數(shù)值，即由電容或電感在高頻下所產(chǎn)生的阻力，當(dāng)中向上的是正數(shù)，向下的是負(fù)數(shù)。圖表最中間的點(1+j0)代表一個已匹配(matched)的電阻數(shù)值()，同時其反射系數(shù)的值會是零。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長度是1，即100% 反射。有一些圖表是以導(dǎo)納值(admittance)來表示，把上述的阻抗值版本旋轉(zhuǎn)180度即可。根據(jù)上面介紹的等電阻圓和等電抗圓圖，能過簡單有效的確定電路的阻抗，并進行阻抗匹配。利用史密斯圓圖可以完成以下工作：(1) 讀取阻抗、導(dǎo)納、反射系數(shù)等常用的射頻電路參數(shù)；(2) 進行傳輸線的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計； S參數(shù)在絕大多數(shù)涉及射頻系統(tǒng)的技術(shù)資料和數(shù)據(jù)手冊中，都用到散射參數(shù)(S參數(shù))。其原因在于實際射頻系統(tǒng)不再采用終端開路、導(dǎo)線形成短路的測量方法。采用導(dǎo)線形成短路的時候，導(dǎo)線本身存在電感，而且其電感量在高頻下非常之大，此外，開路情況也會在終端形成負(fù)載電容。另外，當(dāng)涉及電磁波傳播時也不希望反射系數(shù)的模等于1，在這種情況下，終端的不連續(xù)性將導(dǎo)致有害的電壓、電流反射，并產(chǎn)生可能造成器件損壞的振蕩。參數(shù)描述了兩端口入射功率和反射功率之間的關(guān)系，而不是電壓和電流的關(guān)系。應(yīng)用參數(shù)測量和校準(zhǔn)都變得容易。描述一個系統(tǒng)被和激勵，、和、分別表示輸入和輸出口的入射波、反射波功率。假定系統(tǒng)是線性的，參數(shù)定義為：[] 圖22 二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù) （22）式中稱為雙端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣，簡稱為矩陣，它的各個參數(shù)的意義如下：：表示2端口匹配，1端口的反射系數(shù)；：表示2端口匹配，1端口到2端口的傳輸系數(shù)；：表示1端口匹配，2端口到1端口的傳輸系數(shù)；：表示1端口匹配，2端口的反射系數(shù)；在射頻與微波頻段上，與端口的開路、短路條件相比，端口的匹配比較容實現(xiàn)，在端口匹配條件下進行測試也比較安全。 長線的阻抗匹配在低噪聲放大器的設(shè)計中，阻抗匹配非常重要，它關(guān)系到系統(tǒng)的傳輸效率、功率容量與工作穩(wěn)定性，關(guān)系到低噪聲放大器的噪聲特性的好壞。因此，阻抗匹配問題極其重要。阻抗匹配的目的是使源傳遞給負(fù)載最大的射頻功率。一般而言，最佳的解決方案依賴于電路的要求，例如簡單易于實現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波動，設(shè)計的可實現(xiàn)性和可調(diào)節(jié)性，設(shè)定的工作條件，足夠的諧波抑制等。由此得到很多類型的匹配網(wǎng)絡(luò)，包括集總元件和傳輸線。本文采用的是集總元件與傳輸線相結(jié)合的方法，并利用Smith圓圖軌跡法作為工具。匹配包含兩個方面的含義：一是微波源的匹配，要解決的問題是如何從微波源中取出最大功率；二是負(fù)載的匹配，要解決的問題是如何是負(fù)載吸收全部入射功率。這是兩個不同性質(zhì)的問題，前者要求信號源內(nèi)阻與長線輸入阻抗實現(xiàn)共軛匹配；后者要求負(fù)載與長線實現(xiàn)無反射匹配。 微波源的共軛匹配阻抗匹配的目的是使源傳遞給負(fù)載最大的射頻功率。一般而言，最佳的解決方案依賴于電路的要求，例如簡單易于實現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波動，設(shè)計的可實現(xiàn)性和可調(diào)節(jié)性，設(shè)定的工作條件，足夠的諧波抑制等。由此得到很多類型的匹配網(wǎng)絡(luò)，包括集總元件和傳輸線。本文采用的是集總元件與傳輸線相結(jié)合的方法，并利用Smith圓圖軌跡法作為工具。對于一個給定的微波源，其輸出最大功率的條件是：在同一參考面上負(fù)載的輸入阻抗與波源的內(nèi)阻抗互為共軛復(fù)數(shù)，這個條件稱為“共軛匹配”。需強調(diào)的是與必須對同一參考面而言，其中為從參考面處向負(fù)載看去的輸入阻抗，為從參考面處向波源看去的輸入阻抗。 負(fù)載的匹配在傳輸微波功率時一般都希望負(fù)載時匹配的，因為匹配負(fù)載無反射，傳輸線中為行波狀態(tài)，這對于傳輸微波功率來說，主要有以下幾點好處：1. 匹配負(fù)載可以從匹配源輸出功率中吸收最大功率。2. 行波狀態(tài)時傳輸線的傳輸效率最高。因反射波帶回的能量和入射波一樣會在傳輸線中產(chǎn)生損耗，固有反射時的損耗功率增大，傳輸效率低。3. 行波狀態(tài)時傳輸線功率容量最大。因在駐波狀態(tài)時，沿線的高頻電場分布出現(xiàn)波腹，波腹處的電場比傳輸同樣功率時的行波電場高得多，因此容易發(fā)生擊穿，從而限制了功率容量。 匹配方法阻抗匹配的方法有二：一是在不匹配系統(tǒng)中適當(dāng)加入無功元件，稱為調(diào)配器，人為引入一個或多個反射并使之與原系統(tǒng)產(chǎn)生的反射相互抵消而達到匹配；二是兩不匹配系統(tǒng)間加接一個阻抗變換器，其作用是化原不匹配系統(tǒng)內(nèi)的大反射為多級的或漸變的小反射乃至最終過渡到匹配狀態(tài)。 微帶線簡介微帶線屬于敞開式部分填充介質(zhì)的雙導(dǎo)體傳輸線。它是由介質(zhì)基片上的導(dǎo)帶和基片底部的金屬接地板構(gòu)成的，整個微帶線用薄膜工藝制作而成，基片采用介電常數(shù)高、高頻損耗低的陶瓷、石英、藍寶石等介質(zhì)材料，導(dǎo)帶采用良導(dǎo)體材料。微帶線適合制作微波集成電路的平面結(jié)構(gòu)傳輸線，與金屬波導(dǎo)相比，其體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等；但損耗稍大，功率容量小。60年代前期，由于微波低損耗介質(zhì)材料和微波半導(dǎo)體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路，使微帶線得到廣泛應(yīng)用，于是相繼出現(xiàn)了各種類型的微帶線。微帶線的參數(shù)確定如下，微帶線特性阻抗的大小由導(dǎo)體帶寬度和介質(zhì)板的厚度h以及有效介電常數(shù)決定的，如下： (23) （24）式中為填充介電常數(shù)為的介質(zhì)時微帶線的特性阻抗；為填充空氣時的同一尺寸微帶線的特性阻抗；為微帶線的導(dǎo)帶寬度；為微帶線的介質(zhì)基片厚度。 偏置電路在電路系統(tǒng)設(shè)計中，直流偏置電路系統(tǒng)是射頻功率放大器運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。偏置網(wǎng)絡(luò)有兩大類型：無源網(wǎng)絡(luò)和有源網(wǎng)絡(luò)。無源網(wǎng)絡(luò)(即自偏置)是最簡單的偏置電路，通常由電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它為射頻晶體管提供合適的工作電壓和電流，但是這種電路的缺點就是對晶體管參數(shù)變化非常敏感，并且溫度穩(wěn)定較差。因為直流反饋總是要降低電壓提供的功率，考慮到現(xiàn)在是低壓工作，所以有效的反饋比較難。如果反饋根本不實用或不充分，就需要使用有源偏置，有源偏置網(wǎng)絡(luò)能改善靜態(tài)工作點的穩(wěn)定性，還能提高良好的溫度穩(wěn)定性，但它也存在一些問題，如增加了電路尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。低噪聲放大器設(shè)計的第一步就是確定晶體管的靜態(tài)直流工作點，偏置的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，并抑制晶體管的離散性以及溫度變化的影響從而保持恒定的工作特性。偏置網(wǎng)絡(luò)不僅要設(shè)定直流工作狀態(tài)，還要通過高頻扼流線圈和隔直電容確保直流偏置與射頻信號相互隔離。333 低噪聲放大器的基本指標(biāo) 工作頻帶工作頻帶通常指放大器滿足其全部性能指標(biāo)的連續(xù)頻率范圍。放大器的實際工作頻率盡可能限制在所定的工作頻率范圍?？紤]到噪聲系數(shù)是主要指標(biāo)，在寬頻帶情況下難于獲得極低噪聲，所以低噪聲放大器的工作頻帶一般不太寬。放大器所能允許的工作頻率與晶體管的特征頻率有關(guān)，由晶體管小信號模型可知，減小偏置電流的結(jié)果是晶體管的特征頻率降低。在集成電路中，增大晶體管的面積使極間電容增加也降低了特性頻率。 帶寬為保證頻帶信號無失真地通過放大電路，要求其增益頻率響應(yīng)特性必須有與信號帶寬相適應(yīng)的平坦寬度。放大電路電壓增益頻率響應(yīng)特性為最大值下降3dB時，對應(yīng)的頻率寬度為放大器的通頻帶，通常以表示，即帶寬。而低噪聲放大器的帶寬不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內(nèi)噪聲要滿足要求。帶寬又分為絕對帶寬和相對帶寬。絕對帶寬定義如下： (31)采用絕對帶寬表示時，帶寬的量綱為Hz。相對帶寬常用的表示方法為百分比法。采用相對帶寬表示時，帶寬是無量綱的相對值。百分比法定義為絕對帶寬占中心頻率的百分?jǐn)?shù)，用表示為： (32)其中為中心頻率。通常當(dāng)相對帶寬小于10%時稱為窄帶放大器，相對帶寬大于30%時稱為寬帶放大器，而相對帶寬大于100%時稱為超寬帶放大器，考慮到噪聲系數(shù)是主要指標(biāo)，但是在寬頻帶情況下難于獲得極低噪聲，所以低噪聲放大器的工作頻帶一般不寬，較多為20%左右。 噪聲系數(shù)在電路某一特定點上的信號功率與噪聲功率之比，稱為信號噪聲比，簡稱信噪比，用符號/(或 /)表示。放大器噪聲系數(shù)是指放大器輸入端信號噪聲功率比 /與輸出端信號噪聲功率比 /的比值。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。影響放大器噪聲系數(shù)的因素有很多，除了選用性能優(yōu)良的元器件外，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否合理也是非常重要的。放大器的噪聲系數(shù)和信號源的阻抗有關(guān)，而與負(fù)載阻抗無關(guān)。當(dāng)一個晶體管的源端所接的信號源的阻抗等于它所要求的最佳信號源阻抗時，由該晶體管構(gòu)成的放大器的噪聲系數(shù)最小。實際應(yīng)用中放大器的噪聲系數(shù)可以表示為： （33）是當(dāng)源端為最佳源阻抗時放大器的最小噪聲系數(shù)，是噪聲阻抗，是放大器按最小噪聲系數(shù)匹配時的最佳源反射系數(shù)。由此可見放大器的輸入匹配電路應(yīng)該按照噪聲最佳來進行設(shè)計，也就是根據(jù)所選晶體管的來進行設(shè)計。設(shè)計輸出匹配電路時采用共軛匹配，以獲得放大器較高的功率增益和較好的輸出駐波比[6]。 輸出. . . .RF放大RF放大RF放大RF放大 輸入F1 G1F2 G2F3 G3Fn Gn圖31 多級放大電路示意圖當(dāng)系統(tǒng)中有多級放大器相連時，其系統(tǒng)總噪聲系數(shù)和總增益表達式為: （34）式中表示多級放大器總的噪聲系數(shù)。、和分別表第一、第二和第三級的噪聲系數(shù)。GG2和G3分別表示第一、第二級和第三級放大器的功率增益。從上式知道，越后項分母越大，所以初級噪聲系數(shù)對總體噪聲系數(shù)的影響最大。只有盡量低，前級增益G1和G2足夠大，整機的噪聲性能才能足夠小。 增益根據(jù)線型網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端阻抗的匹配情況，有三種放大器增益：工作功率增益、轉(zhuǎn)換功率增益、資用功率增益。對于實際的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源與負(fù)載多為50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗情況下實測的增益，一般用dB表示。其表達式為放大器輸出功率與輸入功率的比值： （35）低噪聲放大器的增益要適中，太大會使下級混頻器輸入太大，產(chǎn)生失真。但為了抑制后面各級的噪聲對系統(tǒng)的影響，其增益又不能太小。放大器的增益首先與管子跨導(dǎo)有關(guān)，跨導(dǎo)直接由工作點的電流決定。其次放大器的增益還與負(fù)載有關(guān)。低噪聲放大器大都是按照噪聲最佳匹配進行設(shè)計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，以此增益G 要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益成為相關(guān)增益。通常，相關(guān)增益比最大增益大約低2~4dB。所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機噪聲系數(shù)、接收機動態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。根據(jù)經(jīng)驗，一般取值在15~20dB較為合適。增益平坦度是指功率最大增益與最小增益之差，它用來描述工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏, 常用最高增益與最小增益之差，即△G(dB)表示。 穩(wěn)定性放大器必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。這一點對于射頻電路是非常重要的，因為射頻電路在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的趨勢。考察電壓波沿傳輸線的傳輸，可以理解這種振蕩現(xiàn)象。若傳輸線終端反射系數(shù)Γ01，則反射電壓的幅度變大（正反饋）并導(dǎo)致不穩(wěn)定的現(xiàn)象。反之，若Γ01，將導(dǎo)致反射電壓波的幅度變小（負(fù)反饋）。當(dāng)放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1,即 1,1 時，不管源阻抗和負(fù)載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的，稱為絕對穩(wěn)定；當(dāng)輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于1時，網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定。對條件穩(wěn)定的放大器，其負(fù)載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作，即使負(fù)載阻抗和源阻抗屬于標(biāo)準(zhǔn)的阻抗，但隨著溫度、濕度等環(huán)境的變化這些阻抗可能會發(fā)生變化，同時