【正文】 設(shè)計(jì)并優(yōu)化輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò) 從 圖 414 可以看出，只添加輸入匹配網(wǎng)絡(luò)不能滿足技術(shù)指標(biāo)，下面同時(shí)添加輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于 1SK? 的放大器都是可以匹配的，當(dāng) 1SK? 時(shí)，理論上可以進(jìn)行匹配，但實(shí)際上不可行，因?yàn)橛善浞瓷湎禂?shù)可知，這是一種純電抗性匹配，而現(xiàn)實(shí)中的元件都是有電阻性分量的。畫(huà)出圖來(lái)我們還能發(fā)現(xiàn)，通過(guò)圓圖原點(diǎn)的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù) 0F 就是信號(hào)源端匹配時(shí)（ s? =0）的噪聲系數(shù)，不包圍圓圖 原點(diǎn)的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù) F 將在下列范圍： minF ? F ? 0F ，包圍圓圖原點(diǎn)的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù) F 將在下列范圍： minF ? F ? 0F 。對(duì)于低噪聲放大器， 注重的是要求放大器有極低的噪聲系數(shù)同時(shí)又能得到一定的增益，這樣就必須在噪聲和增益之間取折中方案 。 (1)在每個(gè)源極引線和地之間加電感可引起串聯(lián)反饋，它所起的作用隨頻率不同而不同。這 些性能參數(shù)常常相互矛盾、彼此制約， 因此，在考慮靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，通常要在各種特定指標(biāo)之間作出平衡、折中 的選擇。如果有源器件滿足絕對(duì)穩(wěn)定條件，可以簡(jiǎn)化放大電路的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。增益平坦度是指功率最大增益與最小增益之差，它用來(lái)描述工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏 , 常用最高增益與最小增益之差，即△ G(dB)表示 [10] 。放大器的增益首先與管子跨導(dǎo)有關(guān)，跨導(dǎo)直接由工作點(diǎn)的電流決定。1F 、 2F 和 3F 分別表第一、第二和第 輸出 . . . . RF 放大 RF 放大 RF 放大 RF 放大 輸入 F1 G1 F2 G2 F3 G3 Fn Gn 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) 12 三級(jí)的噪聲系數(shù) 。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號(hào)通過(guò)放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。帶寬又分為絕對(duì)帶寬和相對(duì)帶寬。 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) 10 3 低噪聲放大器的基本指標(biāo) 工作頻帶 工作頻帶通常指放大器滿足其全部性能指標(biāo)的連續(xù)頻率范圍。 微帶線的參數(shù)確定如下，微帶線特性阻抗 0Z 的大小由導(dǎo)體帶寬度 W 和介質(zhì)板的厚度 h 以及有效介電常數(shù) rE 決定的，如下： 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) 9 016860 l n( ) ( ) ( 1 )4120 ( ) ( 1 ) ( 1 )h W WW h hZ WW h h hh W W? ? ?????? ? ???? ????? ??? ? ? ???ΩΩ (23) 010 2reZZ ? ? （ 24） 式中 0Z 為填充介電常數(shù)為 re? 的介質(zhì)時(shí)微帶線的特性阻抗； 01Z 為填充空氣時(shí)的同一尺寸微帶線的特性阻抗； W 為微帶線的導(dǎo)帶寬度； h 為微帶線的介質(zhì)基片厚度 [6]。因反射波帶回的能量和入射波一樣會(huì)在傳 輸線中產(chǎn)生損耗，固有反射時(shí)的損耗功率增大，傳輸效率低。 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。 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。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) )。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)。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。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。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。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)。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。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。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。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(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)。 關(guān)鍵詞： 微波 ； 低噪聲放大器 ； 噪聲系數(shù) ； 匹配電路 ； ADS 仿真 II ABSTRACT Rapid growth of wireless data munications has increased the demand for high performance RFamp。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。 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。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。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。 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)。 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。 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。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長(zhǎng)度是 1，即 100% 反射。應(yīng)用 S 參數(shù)測(cè)量和校準(zhǔn)都變得容易 [1] 。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。需強(qiáng)調(diào)的是 iZ 與 sZ 必須對(duì)同一參考面而言，其中 iZ 為從參考面處向負(fù)載看去的輸入阻抗， sZ 為從參考面處向波源看去的輸入阻抗 [4] 。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。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。 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。 通常當(dāng)相對(duì)帶寬小于 10%時(shí)稱為窄帶放大器，相對(duì)帶寬大于 30%時(shí)稱為寬帶放大器，而相對(duì)帶寬大于 100%時(shí)稱為超寬帶放大器，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 [9] 。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 opt? 來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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。通常，相關(guān)增益比最大增益大約低 2~4dB。反之，若 Γ01，將導(dǎo)致反射電壓波的幅度變?。ㄘ?fù)反饋）。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 [11] 。 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) 20 (2)在網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端口（或其中一個(gè)端口）上串聯(lián)或并聯(lián)相應(yīng)的電抗或電納，則網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定系數(shù)不變，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性不變。 對(duì)晶體管 AT32020 就 K因子和△因子進(jìn)行仿真： 圖 48 仿真原理圖 2 4 6 0 0 10 15 20 25 05 30f r e q , G H zStabFact1R eadoutm1m2m1f req=St abF ac t 1= 1. 0062. 400GH zm2f req=St abF ac t 1= 1. 0302. 500GH z 2 4 6 0 0 17 18 19 20 21 16 22f r e q , G H zStabMeas1R eadoutm3m4m3f req=St abM eas 1= 0. 9172. 400GH zm4f req=St abM eas 1= 0. 9222. 500GH z 圖 49 K因子 圖 410 △ 因子 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) 21 由上 面 圖可知， K 1 △ 1,晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)由一個(gè)給定的噪聲系數(shù) F =iF 來(lái)設(shè)計(jì) s? 時(shí)， 可以推出等噪聲系數(shù)圓方程，其方程 如 下： 222(1 )1 (1 )i o p topts iiNNN? ? ??? ? ??? （ 44） 圓心為 1i optF iC N?? ? （ 45） 半徑為 22 (1 )1ii i op tF iNNN? ? ???? （ 46） 其中 2 m in21s op tisFFN N? ? ? ????? （ 47） 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) 22 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 s? 值。利用 smith 圓圖和ADS 軟件可以方便的實(shí)現(xiàn) ? 型、 T 型、 π 型等匹配 電路，其中還涉及到帶寬及頻率響應(yīng)等問(wèn)題，篇幅有限在這里不再贅述 。 22 11 SC S S D??? (49) 得到負(fù)載反射系數(shù)后就可以按上面的方法進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)了 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) 23 計(jì)算輸入阻抗 輸入阻抗數(shù)據(jù)如下 f re q2 . 3 2 0 G H z2 . 3 3 0 G H z2 . 3 4 0 G H z2 . 3 5 0 G H z2 . 3 6 0 G H z2 . 3 7 0 G H z2 . 3 8 0 G H z2 . 3 9 0 G H z2 . 4 0 0 G H z2 . 4 1 0 G H z2 . 4 2 0 G H z2 . 4 3 0 G H z2 . 4 4 0 G H z2 . 4 5 0 G H z2 . 4 6 0 G H z2 . 4 7 0 G H z2 . 4 8 0 G H z2 . 4 9 0 G H z2 . 5 0 0 G H z2 . 5 1 0 G H z2 . 5 2 0 G H z2 . 5 3 0 G H z2 . 5 4 0 G H z2 . 5 5 0 G H z2 . 5 6 0 G H z2 . 5 7 0 G H z2 . 5 8 0 G H z2 . 5 9 0 G H z2 . 6 0 0 G H z2 . 6 1 0 G H z