【正文】 微波和射頻工程是一個(gè)令人振奮且充滿生機(jī)的領(lǐng)域，主要由于 一方面，現(xiàn)代電子器件取得了最新的發(fā)展；另一方面，目前對(duì)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像通信能力的需求急劇增長(zhǎng)。在這一通信變革之前，微波技術(shù)幾乎是國(guó)防工業(yè)一統(tǒng)天下的領(lǐng)域，而近來(lái)對(duì)無(wú)線尋呼、移動(dòng)電話、廣播視頻、有繩和無(wú)繩計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的通信系統(tǒng)需求的迅速擴(kuò)大正在徹底改變工業(yè)的格局。這些系統(tǒng)正在用于各種場(chǎng)合，包括機(jī)關(guān)團(tuán)體、生產(chǎn)制造工廠、市政基層設(shè)施，以及個(gè)人家庭等。應(yīng)用和工作環(huán)境的多樣性伴隨著大批量生產(chǎn)，從而使微波和射頻產(chǎn)品的低成本制造能力大為提高。這又轉(zhuǎn)而降低了大批新型的低成本無(wú)線、有線射頻和微波業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)成本，其中包括廉價(jià) 的手持 GPS 導(dǎo)航設(shè)備、汽車防撞雷達(dá)，以及到處有售的寬帶數(shù)字服務(wù)入口等。 在這些紛繁的無(wú)線設(shè)備中，低噪聲放大器 (LNA)是必不可少的關(guān)鍵部件，它應(yīng)用于移動(dòng)通訊、光纖通訊、電子對(duì)抗等接收裝置的前端，它的噪聲、增益等特性對(duì)系統(tǒng)的整體性能影響較大，其性能的好壞對(duì)整個(gè)裝置的使用都有相當(dāng)大的影響，因此低噪聲放大器的設(shè)計(jì)是通訊接收裝置的關(guān)鍵。 隨著微波、毫米波技術(shù)的迅速發(fā)展，微波通信、導(dǎo)航、制導(dǎo)、衛(wèi)星通信以及軍事電子對(duì)抗戰(zhàn)和雷達(dá)等領(lǐng)域?qū)ι漕l放大模塊的需求量也越來(lái)越大。特別是由于無(wú)線電通信頻率資源的日益緊張，分配到各類通信 系統(tǒng)的頻率間隔越來(lái)越密，這對(duì)接收系統(tǒng)前端的器件，尤其是低噪聲放大器，提出了更高的要求，以減小不需要的干擾因素，放大接收到的有用信號(hào)。另一方面，由于新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，以及半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，各種新的射頻模塊層出不窮，使得微波、毫 米波有源電路的研制周期不斷縮短，且電路集成度越來(lái)越高，體積越來(lái)越小。 因此，為了適應(yīng)未來(lái)形勢(shì)的發(fā)展需要，我們有必要縮短研制設(shè)計(jì)周期，研制高性能、低噪聲、小體積的微波放大器件，這已是目前國(guó)內(nèi)國(guó)際各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在接收系統(tǒng)中，低噪聲放大器總是處于前端的位置。整個(gè)接收 系統(tǒng)的噪聲取決于低噪聲放大器的噪聲。與普通放大器相比，低噪聲放大器一方面可以減小系統(tǒng)的雜波干擾，提高系統(tǒng)的靈敏度；另一方面放大系統(tǒng)的信號(hào)，保證系統(tǒng)工作的正常運(yùn)行。低噪聲放大器的性能不僅制約了整個(gè)接收系統(tǒng)的性能，而且，對(duì)于整個(gè)接收系統(tǒng)技術(shù)水平的提高，也起了決定性的作用。因此，研制合適的寬頻帶、高性能、更低噪聲的放大器，研究出一套高效率的、精準(zhǔn)的放大器設(shè)天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 計(jì)方法已經(jīng)成為射頻微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 低噪聲放大器簡(jiǎn)介 低噪聲微波放大器（ LNA）已廣泛應(yīng)用于微波通信、 GPS 接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對(duì)抗、射電天 文、大地測(cè)繪、電視及各種高精度的微波測(cè)量系統(tǒng)中，是必不可少的重要電路。低噪聲放大器位于射頻接收系統(tǒng)的前端，其主要功能是將來(lái)自天線的低電壓信號(hào)進(jìn)行小信號(hào)放大。前級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)微波系統(tǒng)的噪聲影響最大，它的增益將決定對(duì)后級(jí)電路的噪聲抑制程度，它的線性度將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的線性度和共模噪聲抑制比產(chǎn)生重要影響。對(duì)低噪聲放大器的基本要求是：噪聲系數(shù)低、足夠的功率增益、工作穩(wěn)定性好、足夠的帶寬和大的動(dòng)態(tài)范圍。 Advanced Design System(ADS)軟件是 Agilent 公司在 HP EESOF EDA 軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，它功能強(qiáng)大，能夠提供各種射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于通信、航天等領(lǐng)域，是射頻工程師的得力助手。本文著重介紹如何使用 ADS 進(jìn)行低噪聲放大器的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。 低噪聲放大器的發(fā)展現(xiàn)狀 從上個(gè)世紀(jì) 60 年代中期開始，由于平面外延工藝的發(fā)展，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(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(lái)，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(wèn)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(guó)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(lái)越引人注目。由于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 HFET 在工藝制造過(guò)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(guó)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， TRW 公司 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(guó)外，由于國(guó)內(nèi)的制作工藝起步較晚，國(guó)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(shuō)來(lái)，除了高 度集成工藝外，國(guó)內(nèi)外總的設(shè)計(jì)手段是相差不大的，在研制方法上，國(guó)內(nèi)與國(guó)外也是基本相同的 [8] 。 本課題的研究方法及主要工作 低噪聲放大器是無(wú)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(lái)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。 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(guó) Agilent 公司的高級(jí)設(shè)計(jì)軟件 ADS2020 仿真，設(shè)計(jì)了一個(gè)在 的頻率范圍內(nèi)滿足指標(biāo)要求的低噪聲放大器。 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(guò)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。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 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(wèn)題。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 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) 0? 能用下式的復(fù)數(shù)形式表達(dá)出來(lái)： LjOOiOrOLOL ejZZ ZZ ??????????? 0 (21) 其中 )/arctan ( 0 rOiL ???? ， LZ 是電路的負(fù)載值 , 0Z 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 ( LZ )，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。天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 有一些圖表是以導(dǎo)納值 (admittance)來(lái)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(guò)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 [1] 。 描述一個(gè)系統(tǒng)被 1V 和 2V 激勵(lì)， 1a 、 2a 和 1b 、 2b 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： 圖 22 二端口網(wǎng)絡(luò) S參數(shù) 1 1 1 1 2 12 2 1 2 2 2b S S ab S S a? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 22） 式中 ? ? 11 1221 22SSS SS???????稱為雙端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣，簡(jiǎn)稱為 ??S 矩陣，它的各個(gè)參數(shù)的意義如下： 2V 1V 2a 1a [S ] 1b 2b 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 1111bS a??2短 匹 配：表示 2 端口匹配， 1 端口的反射系數(shù) ； 221 21bS a??短 匹 配：表示 2 端口匹配， 1 端口到 2 端口的傳輸系數(shù) ； 1122bS a??1短 匹 配：表示 1 端口匹配， 2 端口到 1 端口的傳輸系數(shù) ； 2222bS a??1短 匹 配：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 [7] 。 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(wèn)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(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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wú)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(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)載的天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8