【正文】 雙極晶體管的工作頻率跨進(jìn)微波頻段，平面外延晶體管的工作頻率達(dá)到1GHz以上，出現(xiàn)了微波雙極晶體管及其相應(yīng)的放大器，而同時伴隨著場效應(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)型場效應(yīng)晶體管(JFET) 、金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MESFET) 和近代的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管(HeteroFET) ,如HEMT等隨之出現(xiàn)。近幾年來，隨著材料生長技術(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)成場效應(yīng)晶體管,即異質(zhì)結(jié)場效應(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高電子遷移率晶體管（HEMT）的問世，其低噪聲性能比場效應(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)包括一個二級HEMT低噪聲射頻放大器、一級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。 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，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，對整個系統(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)對整個射頻接收機(jī)系統(tǒng)的性能有重要影響，其中噪聲系數(shù)幾乎決定了整個接收機(jī)的噪聲性能。本課題對低噪聲放大器的多種設(shè)計方法進(jìn)行了研究，查閱了大量的資料，總結(jié)了前輩的設(shè)計經(jīng)驗，運(yùn)用美國Agilent公司的高級設(shè)計軟件 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，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。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)計需要注意的指標(biāo)，為后面的具體設(shè)計提供理論依托。第四部分為具體的設(shè)計過程，對每一部分的設(shè)計都進(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)，并對每級電路整體性能的優(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。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(diǎn)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(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(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； 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(shí)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(shí)現(xiàn)，在端口匹配條件下進(jìn)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(shí)現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波動，設(shè)計的可實(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(shí)現(xiàn)共軛匹配；后者要求負(fù)載與長線實(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(shí)現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波動，設(shè)計的可實(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(qiáng)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(diǎn)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