【正文】 54 衰減駐波比 此外，由于電阻的加入，系統(tǒng)的穩(wěn)定系數(shù)大大提高。其衰減網(wǎng)絡(luò)原理圖如圖 51 所示。當(dāng)單機(jī)放大器不能提供足夠的增益時，我們可以將阻抗已經(jīng)匹配的各級級聯(lián)起來，不斷地將一級的輸出與下一級的輸入匹配，直到達(dá)到需要的增益 [19]。 首先對晶體管進(jìn)行直流分析，之后按照直流分析結(jié)果對晶體管進(jìn)行偏置電路的設(shè)計，選擇合適的偏置電壓和偏置電路，使晶體管工作在放大區(qū)，并進(jìn)行仿真，得出結(jié)果。采用tuning 工具調(diào)節(jié)之后，仿真結(jié)果如圖 428 所示。為了達(dá)到最大增益，需要將輸出阻抗匹配到 50? 。 圖 417 smith chart utility 圖 418 匹配子電路 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 32 將匹配子電路添加到原理圖中，如圖 419 所示。 輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 如圖 416 所示， m14 是 LNA 有最小噪聲系數(shù)的輸入端阻抗，此時可獲得最小噪聲系數(shù)約為 ； m15 是 LNA 有最大增益時的輸入端阻抗，此時可獲得最大增益約為 ，但是這兩點(diǎn)不重合，即設(shè)計時需要在增益和噪聲系數(shù)之間作一個權(quán)衡和綜合考慮。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 30 通過 tuning 工具調(diào)節(jié)可知，隨著反饋電阻的逐漸減小，即反饋深度加大， S21 越來越小，噪聲系數(shù)越來越大；通過反復(fù)調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)反饋電阻阻值太大或太小都不好。 實(shí)際的負(fù)反饋電路一般是由串聯(lián)的電阻、電容接在晶體管的集電極和基極。頻帶內(nèi)，噪聲系數(shù)小于 ,滿足要求。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 圖 44 偏置電路原理圖 為了防止直流通路和交流通路之間的相互影響，要在它們之間加入一些電容電感，以達(dá)到扼流的目的，使直流偏置信號能夠進(jìn)入晶體管，驅(qū)動其在放大器正常工作，而阻止射頻信號進(jìn)入直流通路，破壞偏置。 其中 , ??6051bR ， ??1452bR ， ??150cR ， VVCC 5? 。 在進(jìn)行直流偏置電路設(shè)計之前，先對晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行掃描分析，根據(jù)晶體管的數(shù)據(jù)表，選擇晶體管的工作狀態(tài)為 VVCE 2? , AIC m20? 。 直流偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與仿真 直流偏置電路的設(shè)計目標(biāo)是為給晶體管提供一個適當(dāng)?shù)?、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。美國安捷倫（ Agilent）公司推出的大型 EDA 軟件 ADS 憑借其強(qiáng)大的功能與友好的界面，已成為當(dāng)今微波電路設(shè)計的主流設(shè)計開發(fā)軟件。最后給出設(shè)計指標(biāo)、以及器件和基板的選擇。 電路的基板選用介電常數(shù)為 的 F4B 高頻板，介質(zhì)板厚度為 1mm，該介質(zhì)基板介電常數(shù)和損耗都比較低，廣泛應(yīng)用與衛(wèi)星通訊、導(dǎo)航、雷達(dá)、天線、功分器、合路器、藕合器、直放、干放等產(chǎn)品。 管子廠商提供的晶體管性能圖分別為圖 312 和圖 313。選取晶體管時，必須要關(guān)注它的整體性能，如最大可用增益、最小噪聲系數(shù)、動態(tài)范圍以及輸入、輸出反射系數(shù)。 由于這種匹配電路和波長有關(guān)，所以一 般 4/? 阻抗變換器的工作頻帶較窄，若想增加工作帶寬，可以采用多級 4/? 阻抗變換器串聯(lián)的方式。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 圖 310 雙枝短截線匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖 310 所示的雙枝節(jié)短截線匹配電路中，一段固定長度的傳輸線兩端并聯(lián)了兩段開路或短路 的短截線， 2l 的長度通常采用 1/ 3/8 或 5/8 個波長。 單枝節(jié)匹配 單枝節(jié)匹配就是在主傳輸線上并聯(lián)一個枝節(jié)，用枝節(jié)的電納抵消其接入處主傳輸線上的電納，來達(dá)到匹配。另外在選擇匹配電路的時候還要考慮到元件的標(biāo)稱值，電容電感組合產(chǎn)生的頻率特性，直流偏置以及電路尺寸布局的許可等因素。當(dāng)頻率較低時，采用集總參數(shù)的匹配電路是一個合適的選擇。 低噪聲放大器的設(shè)計，要想獲得較小的噪聲系數(shù)和較高的功率增益， 就必須對輸入、輸出端口進(jìn)行合理的阻抗匹配。 圖 36 串聯(lián)負(fù)反饋 圖 37 并聯(lián)負(fù)反饋 雖然串聯(lián)負(fù)反饋放大器很難設(shè)計、優(yōu)化 ,但卻可以獲得最小的噪聲系數(shù) ,具有極大的吸引力。 負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的分類 根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)在放大電路的輸入端的連接方式，負(fù)反饋放大器可以分為兩種：串聯(lián)負(fù) 反饋和并聯(lián)負(fù)反饋。 圖 34 負(fù)反饋放大器的基本原理圖 晶體管負(fù)反饋電路簡化模型如圖 35 所示。 負(fù)反饋放大電路通過降低放大器增益 21S ，改善放大器的穩(wěn)定性、改善非線性失真、平坦增益度以及 擴(kuò)展 通頻帶；但同時由于負(fù)反饋的引入，會增加系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。 表 31 寬帶放大電路的性能比較 性能 電路形式 平衡電路 負(fù)反饋 有損匹配 行波 電路 有源匹配 頻帶寬度 倍頻程 多倍頻程 多倍頻程 非常寬 多倍頻程 電路尺寸 較大 較小 中等 中等 中等 阻抗匹配 優(yōu) 良 較差 良 良 噪聲系數(shù) 低 中 高 低 低 電路允許公差 大 中 大 中 中 多級相聯(lián) 容易 不易 不易 容易 不易 FET 數(shù)量 中 少 少 多 中 輸出功率線性度 好 較好 中 較好 較好 有損匹配網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)很高，不滿足低噪聲放大電路對噪聲系數(shù)的要求。 低噪聲放大電路的比較 由于 P 波段頻率范圍是 ～ 1GHz,就相當(dāng)于設(shè)計一個寬帶低噪聲放大器。 輸 入 匹 配網(wǎng) 絡(luò)一 級 放 大電 路直 流 偏 置電 路級 間 匹 配二 級 放 大電 路輸 出 匹 配網(wǎng) 絡(luò)直 流 偏 置電 路 圖 33 兩級低噪聲放大器結(jié)構(gòu)示意圖 運(yùn)用微波晶體管的級聯(lián)主要是為了擴(kuò)大增益和擴(kuò)展帶寬。 N放 大 拓 撲 電 路 設(shè) 計K 1設(shè) 計 偏 置 電 路穩(wěn) 定 性 設(shè) 計設(shè) 計 輸 入 、 輸 出匹 配 網(wǎng) 絡(luò)是 否 滿 足 設(shè) 計 要 求版 圖 實(shí) 現(xiàn)YYN晶 體 管 選 擇 ： S 參 數(shù) 、 功 率 輸 出 、 噪 聲系 數(shù) 、 價 格 圖 31 低噪聲放大器一般設(shè)計步驟 低噪聲放大器的一般結(jié)構(gòu) 單級低噪聲放大器的一般結(jié)構(gòu) 單級低噪聲放大器的一般結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。此外，衰減網(wǎng)絡(luò)還可以西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 改善輸出駐波比。 （ 1）串接阻抗負(fù)反饋 通常是在場效應(yīng)管的源極或晶體管的射級串聯(lián)一個電阻或者電感 ，電感有時會 用微帶線來代替，構(gòu)成一個負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)電路穩(wěn)定性，有時也可以適當(dāng)?shù)販p小輸入、輸出駐波比。 實(shí)際設(shè)計時，為了使低噪聲放大器能夠穩(wěn)定地工作在頻帶范圍內(nèi)，還必須使放大器遠(yuǎn)離潛在不穩(wěn)定區(qū)。 放大囂的穩(wěn)定性問題分為兩大類：一類稱為無條件穩(wěn)定或絕對穩(wěn)定，在這種情況下，對于所有的 無源負(fù)載和信號源阻抗，放大器都能穩(wěn)定地工作；另一類稱為潛在不穩(wěn)定或有條件穩(wěn)定，在這中情況下，負(fù)載阻抗和信號源阻抗不能任意選取，要有一定的限制，否則放大器不能穩(wěn)定工作。放大器的動態(tài)范圍是指放大器輸入信號所允許的最小功率和最大功率的范圍。 。 ?? ??? 11VSWR (226) 其中，00ZZ ZZLL ???? Z ：輸入或輸出端的實(shí)際阻抗 0Z ：特性阻抗 對于低噪聲放大器，最重要的兩個指標(biāo)是低噪聲和高增益，所以在設(shè)計低噪聲放大器的時候，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)通常都是按照最小噪聲系數(shù)進(jìn)行匹配的，因此駐波比就會偏離最佳的共扼匹配狀態(tài)；另外，由于微波晶體管有自身增益大約以每倍頻程下降6dB 的特性，所以低噪聲放大器的 設(shè)計中，經(jīng)常會采用低頻端失配的方法來抑制低端的增益，來保持工作頻帶內(nèi)的增益平坦度，因此端口駐波比通常會隨頻率的降低而升高 [11]。同時，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對比這些參數(shù)來計算不同的功率增益是完成一個成功的設(shè)計所必需。在圖 22 中，信號源端有 00s ZZ ZZss ???? （ 28） 網(wǎng)絡(luò)輸入端有 0in0inin ZZ ZZ ???? （ 29） 網(wǎng)絡(luò)輸出端有 0out0outout ZZ ZZ ???? （ 210） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 負(fù)載端有 00L ZZ ZZLL ???? （ 211） 網(wǎng)絡(luò)輸入功率為 in21in ZUP ? （ 212） 1U 為網(wǎng)絡(luò)輸入端電壓，代入 )1(11 iniUU ??? 和式（ 211），得 )1(1 2210in21in iniUZZUP ???? （ 213） 輸入端電壓 1U 與信號源 sU 分壓后，關(guān)系為 ins1 ZZZ UU ins?? （ 214） 代入用反射系數(shù)表示的 ins ZZ、 和 1U ,則有 )1( )1(21 sin ssi UU ??? ??? （ 215） 將式（ 215）代入式（ 213）可得 ）（ 2in2ins202s 1114 ??????? sin ZUP （ 216） 同理，負(fù)載上得到的功率為 )1( 202222LrLL ZUZUP ???? （ 217） 將式（ 27）和（ 215）代入后可得 22222222102s111)1(4 insL sLL SSZUP?????????? （ 218） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 因而工作功率增益可表示為 )1(1)1(22222221inLLinL SSPPG ???? ???? （ 19） 如果 源阻抗和輸入阻抗共軛匹配，則可以傳送到網(wǎng)絡(luò)的最大功率可以由來自 源的可用功率 avsP 表示。 圖 21 雙端口微波網(wǎng)絡(luò) 運(yùn)用疊加原理可寫出參考面上反射波電壓與入射波電壓關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)方程為： i222i121r2i212i111r1 USUSU USUSU ?? ?? （ 27） 它們的定義是 0i1r111 2 ?? iUUUS是當(dāng)雙端口網(wǎng)絡(luò)在輸出口匹配時，輸入口的反射系數(shù)； 0i2r222 1 ?? iUUUS是當(dāng)輸入口 1 匹配時，輸入口的反射系數(shù)； 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 0i1r221 2 ?? iUUUS是當(dāng)輸出口 2 匹配時，輸入向輸出的正向傳輸系數(shù)； 0i2r112 1 ?? iUUUS是當(dāng)輸入口 1 匹配時，輸出向輸入的反向傳輸系數(shù)。 在某些噪聲系數(shù)要求非常高的系統(tǒng)，由于噪聲系數(shù)很?。ɡ?NF1）的情況下，用噪聲系數(shù)表示很不方便， 常用噪聲溫度來表示： BN eKT? （ 25） 式中， K 為玻爾茲曼常量 ； eT 為有效溫度，單位為 K； B 表示帶寬，單位為Hz。 噪聲系數(shù)和噪聲溫度 噪聲系數(shù)（ Noise Figure， NF）是在通信系統(tǒng)中衡量電子電路和系統(tǒng)噪聲性能的一個重要參數(shù)。 （ 2）其次，接收的信號很微弱，而且具有可變性；低噪聲放大器是小信號線性放大器，它的線性動態(tài)范圍大，增益要求能夠自動控制。 第五章，分析結(jié)果，尋找解決方法。 第二章，對低噪聲放大器設(shè)計的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了簡要的敘述，包 括噪聲系數(shù)、駐波比、穩(wěn)定性等。 現(xiàn)在， MMIC 已成為高科技電子系統(tǒng)的重要支柱，不僅軍事上應(yīng)用廣泛，在無線通信、全球定位系統(tǒng)、個人衛(wèi)星通信網(wǎng)等民用方面也擁有巨大的市場 [6～ 8]。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，單片微波集成電路 (Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)逐漸成為了人們的研究熱點(diǎn)。未來微波低噪聲放大器的研究重心將會轉(zhuǎn)向更低的噪聲系數(shù)，更寬的工作頻帶，更高的工作頻率，同時集成化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展也是發(fā)展趨勢 [2]。 寬帶技術(shù)是一種無線載波通信技術(shù) ，具有傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小，結(jié)構(gòu)簡單，保密性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，位于射頻接收系統(tǒng)前端的 LNA 的優(yōu)劣直接影響接收機(jī)的整體性能 [1]。最終實(shí)現(xiàn)在工作頻段 ～ 1GHz 內(nèi)，增益為 20dB，駐波比小于 ，噪聲系數(shù)小于 4dB。本 文首先介紹了低噪聲放大器設(shè)計的理論基礎(chǔ)，并給出了幾種用于低噪 聲放大器設(shè)計的電路形式，對比它們的優(yōu)缺點(diǎn)之后，選擇使用負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的電路形式來完成本次設(shè)計。 ：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī) 構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 作者簽名： 日 期 ： 西