【正文】 1GHz以上，出現(xiàn)了微波雙極晶體管及其相應(yīng)的放大器，而同時(shí)伴隨著場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）理論的提出，包括金屬絕緣柵半導(dǎo)體FET (如MOSFET) 、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET) 、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MESFET) 和近代的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管(HeteroFET) ,如HEMT等隨之出現(xiàn)。近幾年來，隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)（比如分子束外延和分子化學(xué)蒸發(fā)沉積）和新型器件結(jié)構(gòu)可靠性的提高，開始從更高的輸出功率和效率方面改善器件的功能。這種新的技術(shù)發(fā)展水平功率GaAs HFET器件擁有基于異質(zhì)結(jié)化合物AlGaAs 、GaAs InGaP、 GaAs、InAlAs、InGaAs的結(jié)構(gòu)。雙極結(jié)型晶體管器件被引入異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制成HBT。目前微波 HBT 的截止頻率達(dá)到了200 GHz ,因此在微波、低噪聲、超高速及低功耗方面具有很大的優(yōu)越性。異質(zhì)結(jié)不但能夠構(gòu)成雙極型晶體管,還可以構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)晶體管,即異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管(HFET) 。這種器件提供高柵漏和柵源擊穿電壓，門偏壓降低到夾斷電壓接近恒量的跨導(dǎo)，適度高的最大溝道電流能夠得到高效率的器件推動(dòng)高電子遷移率晶體管（HEMT）的問世，其低噪聲性能比場(chǎng)效應(yīng)管更優(yōu)越并大量投入商用。在C波段其噪聲溫度可達(dá)25K左右，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星接收。目前國外8 mm以下的HEMT己商品化，在極低噪聲的許多應(yīng)用領(lǐng)域已取代GaAs MESFET，而且在微波/毫米波功率應(yīng)用中也越來越引人注目。由于HFET在工藝制造過程中要精確控制薄層結(jié)構(gòu)、陡峭的摻雜梯度以及采用更難加工的半導(dǎo)體材料,制造一個(gè)HEMT要比GaAs MESFET的花費(fèi)昂貴得多,隨著技術(shù)的進(jìn)步和科技的發(fā)展,人們對(duì)高性能低成本的HEMT需求更大。很多公司為了滿足這一需求,除了在技術(shù)方面投資以外,逐漸開始在提高HEMT性價(jià)比上增加投入。值得注意的是，國外單片集成(MMIC)微波器件發(fā)展很快，這是一種在幾平方毫米砷化鎵基片上集成的微波放大器，其體積小、噪聲系數(shù)一般增益高。1996年， Kabayashi等人研制出了S波段的HEMT—HBT單片集成接收機(jī)。該系統(tǒng)包括一個(gè)二級(jí)HEMT低噪聲射頻放大器、一級(jí)HEMT本征放大器和HBT雙平衡混頻器，三者均集成在同一片材料上，該HEMT—HBT的MMIC系統(tǒng)利用HEMT—HBT選擇性MBEIC技術(shù)，代表了當(dāng)今最好的IC技術(shù)，充分展示了超越于單純MMIC和混合集成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。我們發(fā)現(xiàn)微波晶體管低噪聲放大器的巨大變革通常是隨著微波放大器件的產(chǎn)生和工藝技術(shù)的改進(jìn)而發(fā)展的。相對(duì)于國外，由于國內(nèi)的制作工藝起步較晚，國內(nèi)有源電路技術(shù)指標(biāo)的快速提高受到了限制。但是，總體說來，除了高度集成工藝外，國內(nèi)外總的設(shè)計(jì)手段是相差不大的，在研制方法上，國內(nèi)與國外也是基本相同的 [3] 。 本課題的研究方法及主要工作低噪聲放大器是無線接收機(jī)前端的重要部分，其主要作用是放大微弱信號(hào)，盡量使放大器引入的噪聲減小。由于它處于接收機(jī)放大鏈的前端，因此，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來講是非常重要的。它的噪聲系數(shù)、增益和線性度等指標(biāo)對(duì)整個(gè)射頻接收機(jī)系統(tǒng)的性能有重要影響，其中噪聲系數(shù)幾乎決定了整個(gè)接收機(jī)的噪聲性能。接收機(jī)靈敏度公式如下所示： （11）式中：k為波爾茲曼常數(shù)，為溫度，B為帶寬，是系統(tǒng)正確解調(diào)出接收信號(hào)所需的最小輸出信噪比，為噪聲系數(shù)。由上式可以看到，在影響接收機(jī)靈敏度的幾個(gè)因素中，在常溫下是不變的，帶寬B和是由接收機(jī)結(jié)構(gòu)決定的。當(dāng)然也可以通過改變接收機(jī)結(jié)構(gòu)來改變B和或者采用低溫來降低，本課題主要討論噪聲系數(shù)對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響，不考慮溫度的影響。[2]本課題對(duì)低噪聲放大器的多種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，查閱了大量的資料，總結(jié)了前輩的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用美國Agilent公司的高級(jí)設(shè)計(jì)軟件 ADS2008 仿真。全文可以分為五部分。具體內(nèi)容如下：第一部分為引言。首先簡(jiǎn)要介紹課題研究背景與低噪聲放大器，發(fā)展?fàn)顩r及研究趨勢(shì)，最后介紹本文的主要工作和章節(jié)安排。第二部分為低噪聲放大器理論綜述。介紹了史密斯圓圖、S參數(shù)、阻抗匹配、微帶線理論基礎(chǔ)知識(shí)。第三部分為低噪聲放大器的基本指標(biāo)。分析了低噪聲放大器設(shè)計(jì)需要注意的指標(biāo)，為后面的具體設(shè)計(jì)提供理論依托。第四部分為具體的設(shè)計(jì)過程，對(duì)每一部分的設(shè)計(jì)都進(jìn)行了大量細(xì)致的工作，主要包括輸入輸出最佳阻抗的獲得和匹配網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)，并對(duì)每級(jí)電路整體性能的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)給出了具體方法和步驟。第五部分為總結(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(jìn)一步研究的問題。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(diǎn)是有可能在同一個(gè)圖中簡(jiǎn)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(dá)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(huì)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(shí)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(diǎn)(1+j0)代表一個(gè)已匹配(matched)的電阻數(shù)值()，同時(shí)其反射系數(shù)的值會(huì)是零。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長(zhǎng)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(jiǎn)單有效的確定電路的阻抗，并進(jìn)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(jìn)行傳輸線的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 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(cè)中，都用到散射參數(shù)(S參數(shù))。其原因在于實(shí)際射頻系統(tǒng)不再采用終端開路、導(dǎo)線形成短路的測(cè)量方法。采用導(dǎo)線形成短路的時(shí)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(huì)在終端形成負(fù)載電容。另外，當(dāng)涉及電磁波傳播時(shí)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。S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S參數(shù)測(cè)量和校準(zhǔn)都變得容易[4]。描述一個(gè)系統(tǒng)被V1和V2激勵(lì)，aa2和bb2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，S參數(shù)定義為：V2V1a2a1[S]b1b2 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(jiǎn)稱為矩陣，它的個(gè)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(shí)現(xiàn)，在端口匹配條件下進(jìn)行測(cè)試也比較安全 [13] 。 長(zhǎng)線的阻抗匹配在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)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RF功率。一般而言，最佳的解決方案依賴于電路的要求，例如簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波動(dòng)，設(shè)計(jì)的可實(shí)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(gè)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(gè)不同性質(zhì)的問題，前者要求信號(hào)源內(nèi)阻與長(zhǎng)線輸入阻抗實(shí)現(xiàn)共軛匹配；后者要求負(fù)載與長(zhǎng)線實(shí)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RF功率。一般而言，最佳的解決方案依賴于電路的要求，例如簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波動(dòng)，設(shè)計(jì)的可實(shí)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(duì)于一個(gè)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(gè)條件稱為“共軛匹配”。需強(qiáng)調(diào)的是與必須對(duì)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 [4] 。 負(fù)載的匹配在傳輸微波功率時(shí)一般都希望負(fù)載時(shí)匹配的，因?yàn)槠ヅ湄?fù)載無反