【正文】 摘 要快速發(fā)展的無線通信對微波射頻電路如低噪聲放大器提出更高的性能。低噪聲放大器(LNA)廣泛應(yīng)用于微波接收系統(tǒng)中，是重要器件之一，它作為射頻接收機(jī)前端的主要部分，其主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)。它的噪聲性能直接決定著整機(jī)的性能，進(jìn)而決定接收機(jī)的靈敏度和動態(tài)工作范圍。而近年來由于無線通信的迅猛發(fā)展也對其提出了新的要求，主要為：低噪聲、低功耗、低成本、高性能和高集成度。所以本論文針對這一需求。本文從偏置電路、噪聲優(yōu)化、線性增益及輸入阻抗匹配等角度分析了電路的設(shè)計(jì)方法，借助 ADS 仿真軟件的強(qiáng)大功能對晶體管進(jìn)行建模仿真，在這個基礎(chǔ)上對晶體管的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)合 Smith 圓圖，對輸入輸出阻抗匹配電路進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，、帶寬為100MHz、噪聲系數(shù)小于2dB和增益大于15dB的低噪聲放大器。 關(guān)鍵詞：微波；低噪聲放大器；噪聲系數(shù)；匹配電路；ADS仿真ABSTRACTRapid growth of wireless data munications has increased the demand for high performance RFamp。Microwave circuits, Such as Microwave Low Noise Amplifiers. The LNA is one of the most important and broad ponents in Microwave munication system receiver, as the main part of the RF frontend receiver, the function of the low noise amplifier is amplifying the faint signal which incepted from air by the antenna. It can reduce the noise jamming, so as to demodulate right information for the system. The noise performance of the LNA will affect the performance of the whole system directly, and then deciding the sensitivity and dynamic working scope of the receiver.From the aspect of bias circuit, noise optimization, linear gain, impedance match, and the design methodology for LNA is analyzed, This article carries on the modelling simulation with the aid of the ADS simulation software39。s powerful function to the transistor, has carried on the analysis in this foundation to transistor39。s stability, has used the Smith circle diagram, to input the output impedance match circuit to carry on the simulation optimization design. a radio frequency power amplifier is designed, which has a centre , bandwidth 100MHz, I/O VSWR less than , Noise coefficient less than 2dB and Wattandgain 15dB.Key Words：microwave。 lownoise amplifier。 noise figure。 matching circuit。 ADS simulationII目 錄1 引 言 1 課題研究背景 1 低噪聲放大器簡介 2 低噪聲放大器的發(fā)展現(xiàn)狀 2 本課題的研究方法及主要工作 32 低噪聲放大器理論綜述 5 史密斯圓圖 5 S參數(shù) 6 長線的阻抗匹配 7 微波源的共軛匹配 7 負(fù)載的匹配 8 匹配方法 8 微帶線簡介 8 偏置電路 93 低噪聲放大器的基本指標(biāo) 10 工作頻帶 10 帶寬 10 噪聲系數(shù) 11 增益 12 穩(wěn)定性 12 端口駐波比和反射損耗 134 低噪聲放大器設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化 15 指標(biāo)目標(biāo)及設(shè)計(jì)流程 15 選取晶體管并仿真晶體管參數(shù) 15 晶體管S參數(shù)掃描 17 放大器的穩(wěn)定性分析 19 設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 21 匹配原理 21 計(jì)算輸入阻抗 23 單支節(jié)匹配電路 23 設(shè)計(jì)并優(yōu)化輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò) 25結(jié) 論 30參考文獻(xiàn) 32致 謝 34天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2012屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1 引 言 課題研究背景微波和射頻工程是一個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，目前對語音、數(shù)據(jù)、圖像通信能力的需求急劇增長。在這一通信變革之前，微波技術(shù)幾乎是國防工業(yè)一統(tǒng)天下的領(lǐng)域，而近來對無線尋呼、移動電話、廣播視頻、有繩和無繩計(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)用于移動通訊、光纖通訊、電子對抗等接收裝置的前端，它的噪聲、增益等特性對系統(tǒng)的整體性能影響較大，其性能的好壞對整個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越大。特別是由于無線電通信頻率資源的日益緊張，分配到各類通信系統(tǒng)的頻率間隔越來越密，這對接收系統(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。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，且電路集成度越來越高，體積越來越小。因此，為了適應(yīng)未來形勢的發(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，這已是目前國內(nèi)國際各個應(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，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接收系統(tǒng)的性能，而且，對于整個接收系統(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)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)、電子對抗、射電天文、大地測繪、電視及各種高精度的微波測量系統(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，其主要功能是將來自天線的低電壓信號進(jìn)行小信號放大。前級放大器的噪聲系數(shù)對整個微波系統(tǒng)的噪聲影響最大，它的增益將決定對后級電路的噪聲抑制程度，它的線性度將對整個系統(tǒng)的線性度和共模噪聲抑制比產(chǎn)生重要影響。對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(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(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。 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(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(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