【正文】 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(xiàn)阻抗以及反射系數(shù)。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。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。它的噪聲系數(shù)、增益和線(xiàn)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。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。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。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。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。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)。低噪聲放大器位于射頻接收系統(tǒng)的前端，其主要功能是將來(lái)自天線(xiàn)的低電壓信號(hào)進(jìn)行小信號(hào)放大。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。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。這又轉(zhuǎn)而降低了大批新型的低成本無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)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(chē)防撞雷達(dá)，以及到處有售的寬帶數(shù)字服務(wù)入口等。 ADS simulationII目 錄1 引 言 1 課題研究背景 1 低噪聲放大器簡(jiǎn)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(zhǎng)線(xiàn)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(xiàn)簡(jiǎn)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(gè)令人振奮且充滿(mǎn)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)。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。本文從偏置電路、噪聲優(yōu)化、線(xiàn)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(duì)晶體管進(jìn)行建模仿真，在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)晶體管的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)合 Smith 圓圖，對(duì)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。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(xiàn)從空中接收到的微弱信號(hào)，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(dòng)態(tài)工作范圍。 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。 lownoise amplifier。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(xiàn)尋呼、移動(dòng)電話(huà)、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。在這些紛繁的無(wú)線(xiàn)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。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。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。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(xiàn)性度將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的線(xiàn)性度和共模噪聲抑制比產(chǎn)生重要影響。 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(kāi)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)。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。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。1996年， Kabayashi等人研制出了S波段的HEMT—HBT單片集成接收機(jī)。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。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 ADS2008 仿真。第二部分為低噪聲放大器理論綜述。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。反射系數(shù)(reflection coefficient)能用下式的復(fù)數(shù)形式表達(dá)出來(lái)： (21)其中，是電路的負(fù)載值,是傳輸線(xiàn)的特性阻抗值，通常會(huì)使用50Ω。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長(zhǎng)度是1，即100% 反射。其原因在于實(shí)際射頻系統(tǒng)不再采用終端開(kāi)路、導(dǎo)線(xiàn)形成短路的測(cè)量方法。應(yīng)用參數(shù)測(cè)量和校準(zhǔn)都變得容易。因此，阻抗匹配問(wèn)題極其重要。本文采用的是集總元件與傳輸線(xiàn)相結(jié)合的方法，并利用Smith圓圖軌跡法作為工具。一般而言，最佳的解決方案依賴(lài)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。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。3. 行波狀態(tài)時(shí)傳輸線(xiàn)功率容量最大。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(gè)微帶線(xiàn)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(lán)寶石等介質(zhì)材料，導(dǎo)帶采用良導(dǎo)體材料。 偏置電路在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，直流偏置電路系統(tǒng)是射頻功率放大器運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。如果反饋根本不實(shí)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(diǎn)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(wèn)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。放大器的實(shí)際工作頻率盡可能限制在所定的工作頻率范圍。 帶寬為保證頻帶信號(hào)無(wú)失真地通過(guò)放大電路，要求其增益頻率響應(yīng)特性必須有與信號(hào)帶寬相適應(yīng)的平坦寬度。絕對(duì)帶寬定義如下： (31)采用絕對(duì)帶寬表示時(shí)，帶寬的量綱為Hz。通常當(dāng)相對(duì)帶寬小于10%時(shí)稱(chēng)為窄帶放大器，相對(duì)帶寬大于30%時(shí)稱(chēng)為寬帶放大器，而相對(duì)帶寬大于100%時(shí)稱(chēng)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。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。由此可見(jiàn)放大器的輸入匹配電路應(yīng)該按照噪聲最佳來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是根據(jù)所選晶體管的來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。GG2和G3分別表示第一、第二級(jí)和第三級(jí)放大器的功率增益。對(duì)于實(shí)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(shí)測(cè)的增益，一般用dB表示。其次放大器的增益還與負(fù)載有關(guān)。通常，相關(guān)增益比最大增益大約低2~4dB。 穩(wěn)定性放大器必須滿(mǎn)足的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。反之，若Γ01，將導(dǎo)致反射電壓波的幅度變?。ㄘ?fù)反饋）。而且只有在絕對(duì)穩(wěn)定的條件下晶體管才有可能達(dá)到最大增益，所以判斷一個(gè)晶體管的射頻是否絕對(duì)穩(wěn)定就相對(duì)變得重要。一般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對(duì)系統(tǒng)的影響，可用插損很小的隔離器等其他措施來(lái)解決。 圖41 晶體管工作點(diǎn)掃描的電路 圖42 BJT直流工作點(diǎn)掃描曲線(xiàn)由圖表可知，晶體管AT32011的靜態(tài)工作點(diǎn)為：VCE=ICi=IBB= 圖43 偏置電路原理圖 圖44 偏置電路 晶體管S參數(shù)掃描 圖45 晶體管S參數(shù)掃描的電路 圖46 晶體管S參數(shù)仿真圖47 噪聲系數(shù)nf(2)曲線(xiàn)，S(1,1)=S(1,2)=S(2,1)=S(2,2)=Nf(2)=由上述分析可以看出，晶體管參數(shù)指標(biāo)如下：（1）,滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)；（2）通帶內(nèi)的噪聲系數(shù)滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)；（3）通帶內(nèi)的增益不滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)；（4）通帶內(nèi)的輸入駐波比不滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)；（5）通帶內(nèi)的輸出駐波比不滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)；結(jié)論如下：（1）頻率范圍和噪聲系數(shù)滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)，可以選取晶體管；（2）通帶內(nèi)增益、輸入輸出駐波比不滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)，需要添加輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)該3項(xiàng)指標(biāo)； 放大器的穩(wěn)定性分析我們知道二端口網(wǎng)絡(luò)絕對(duì)穩(wěn)定的充分且必要條件為： （41）其中 （42）為放大器的穩(wěn)定因子，越大，穩(wěn)定性越高。(3)在用任何電阻或電導(dǎo)改變網(wǎng)絡(luò)參量的歸一化時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)不變。(2)在漏極串聯(lián)或并聯(lián)阻性負(fù)載是獲得寬帶穩(wěn)定性最簡(jiǎn)單易行的方法，阻性負(fù)載能夠在很寬的頻段內(nèi)使器件產(chǎn)生等阻抗，其惟一的缺點(diǎn)是由于在阻性終端有一些能量消耗，降低了輸出功率。 設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 匹配原理在設(shè)計(jì)放大器時(shí)，一般有以下幾種原則：一是以達(dá)到最大功率增益為目標(biāo)；二是以達(dá)到最穩(wěn)定增益為目標(biāo)；三是要達(dá)到某一確定的增益值（小于最大增益）；四是以達(dá)到最小噪聲系數(shù)為目標(biāo)。對(duì)于不同的設(shè)計(jì)原則，相應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也就不一樣。 （44）圓心為 （45）半徑為 （46）其中 （47）得到等噪聲系數(shù)圓后，按照要求的噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)放大器的問(wèn)題就演變?yōu)閺脑摰仍肼曄禂?shù)圓中確定一個(gè)合適的值。匹配電路最核心的就是起個(gè)阻抗變換作用，把一個(gè)阻抗變換成為另外