【正文】 ......................... 3 2 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 負載的匹配 ................................................................................................... 8 匹配方法 ....................................................................................................... 8 微帶線簡介 ............................................................................................................ 8 偏置電路 ................................................................................................................ 9 3 低噪聲放大器的基本指標 .......................................................................................... 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 ...................................................................................... 13 4 低噪聲放大器設計仿真及優(yōu)化 .................................................................................. 15 指標目標及設計流程 .......................................................................................... 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 設計輸入匹配網(wǎng)絡 .............................................................................................. 21 匹配原理 ......................................................................................................21 計算輸入阻抗 ..............................................................................................23 單支節(jié)匹配電路 ..........................................................................................23 設計并優(yōu)化輸入輸出匹配網(wǎng)絡 .......................................................................... 25 結(jié) 論 ............................................................................................................................... 30 參考文獻 ............................................................................................................................. 32 致 謝 ............................................................................................................................. 34 天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 1 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的領域，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。另一方面，由于新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，以及半導體技術的迅速發(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。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行小信號放大。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。 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。它的噪聲系數(shù)、增益和線性度等指標對整個射頻接收機系統(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的噪聲性能。分析了 低噪聲放大器 設計需要注意的指標，為后面的具體設計提供理論依托。圖表最中間的點 (1+j0)代表一個已匹配 (matched)的電阻數(shù)值 ( LZ )，同時其反射系數(shù)的值會是零。 S 參數(shù)描述了兩端口入射功率和反射功率之間的關系，而不是電壓和電流的關系。由此得到很多類型的匹配網(wǎng)絡，包括集總元件和傳輸線 。 對于一個給定的微 波源，其輸出最大功率的條件是：在同一參考面上負載的天津職業(yè)技術師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 8 輸入阻抗 iZ 與波源的內(nèi)阻抗 sZ 互為共軛復數(shù)，這個條件稱為“共軛匹配”。 微帶線簡介 微帶線屬于敞開式部分填充介質(zhì)的雙導體傳輸線。因為直流反饋總是要降低電壓提供的功率，考慮到現(xiàn)在是低壓工作，所以有效的反饋比較難。在集成電路中，增大晶體管的面積使極間電容增加也降低了特性頻率。百分比法定義為絕對帶寬占中心頻率的百分數(shù) ，用 RBW 表示為： 001 0 0 1 0 0HLff BWRBW ff?? ? ? ? ? ? (32) 其中 0f 為中心頻率。實際應用中放大器的噪聲系數(shù)可以表示為 ： 2m in 2204(1 ) 1s op tns op tRFFZ? ? ???? ? ? ? （ 33） minF 是當源端為最佳源阻抗時放大器的最小噪聲系數(shù)， nR 是噪聲阻抗， opt?是放大器按最小噪聲系數(shù)匹配時的最佳源反射系數(shù)。 增益 根據(jù)線型網(wǎng)絡輸入、輸出端阻抗的匹配情況，有三種放大器增益：工作功率增益、轉(zhuǎn)換功率增益、資用功率增益。噪聲最佳匹配情況下的增益成為相關增益。若傳輸線終端反射系數(shù) Γ01， 則反射電壓的幅度變大（正反饋）并導致不穩(wěn)定的現(xiàn)象。此外，由于微 波場效應晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以 6 dB 規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來壓天津職業(yè)技術師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 14 低增益，以 保持帶內(nèi)增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。SSKD?? （ 43） 對于放大器 的穩(wěn)定因子 ，有如下三個特性 ： (1)在網(wǎng)絡的兩個端口（或其中一個端口）上串聯(lián)或并聯(lián)相應的電阻或電導，則網(wǎng)絡的穩(wěn)定系數(shù)會增大，網(wǎng)絡的穩(wěn)定性將得到提高。 且 在不穩(wěn)定情況下，匹配電路要特別注意，其負載反射系數(shù) ? 有特殊的要求，這將在匹配網(wǎng)絡設計中說明。因此，必須找 到一種折中的輸入匹配方法來滿足最佳噪聲系數(shù)和最佳輸入反射回損的性能。這樣我們就可以通過阻抗變換的方法設計出需要的輸入匹配電路。 由于我們制作放大器已經(jīng)首先選擇了穩(wěn)定的參數(shù)，所以其總是可以同時實現(xiàn)雙端口的匹配，在輸入口已經(jīng)進行了最小噪聲系數(shù)的匹配，在輸出口我們可以利用下面的公式計算出輸出口的負載反射系數(shù)： 22 42L B B CC???? (48) 其中 2 2 22 2 1 11 SB S S D? ? ? ?。 二級級聯(lián)的原理圖如下： 天津職業(yè)技術師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 28 圖 421 二級級聯(lián)放大器原理圖 對此原理圖進行仿真，仿真結(jié)果如下所示 ： 2 4 6 0 0 0 2 4 6 8 8 0f r e q , G H znf(2)R eadoutm1m2m1f req=nf (2)= 2. 283opt I t er= 1482. 400GH zm2f req=nf (2)= 2. 387opt I t er= 1482. 500GH z 2 4 6 0 0 6 8 0 2 4 4 6f r e q , G H zVSWR1R eadoutm3m4m3f req=V SW R 1= 1. 055opt I t er= 1482. 400GH zm4f req=V SW R 1= 1. 159opt I t er= 1482. 500GH z 圖 422 噪聲系數(shù) 圖 423 輸入駐波比 天津職業(yè)技術師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設