【正文】 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 29 頁 共 39 頁 參考文獻 [1]低噪聲放大器 (LNA)[J].通信技術 ,2021(01) [2]楊宇航 .基于 WCDMA直放站模擬預失真功率放大器的研究 [D]電子科技大學， 2021. [3]林志凱 .具有內外置天線切換功能的新型雙射頻低噪放大電路的研究 [D]廣東工業(yè)大學， 2021. [4]馬維松 .低噪聲放大器的發(fā)展狀況 [J].電訊技術 ,1981(05). [5]余之喜 ,蘇凱雄等 .北斗導航接收機 LNA的設計與仿真 [J].現(xiàn)代電子技術 ,第 35 卷第 5期 ,2021. [6]John . UltralowNoise IndiumPhosphide MMIC Amplifier for 85115GHz Theory Tech,49(11),2021. [7] et al. Wband InP wideband MMIC LNA with Noise 1999. [8]孫肖磊 .用于超寬帶系統(tǒng)的 CMOS寬帶低噪聲放大器的設計 [D].中國科 學院微電子研究所 ,2021. [9]黃玉蘭 ,常樹茂 .物聯(lián)網 ADS 射頻電路仿真與實例詳解 [M].北京 :人民郵電出版社 ,2021. [10]謝萬波 ,楊維明 ,陳建新 .微波低噪聲放大器設計技術 [J].中國電子協(xié)會論文集 ,2021. [11]臧建國 .開放頻率 [D]江蘇大學， 2021. [12]黃玉蘭 .射頻電路理論與設計 [M].北京 :人民郵電出版社 ,2021. [13]David [M].University of Massachusetts at Amherst. 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 30 頁 共 39 頁 致謝 在本次畢業(yè)論文即將完成之時，我首先要向我的指導老師賈建科老師致以最崇高的敬意和最真摯的感謝！老師在百忙之中抽出時間為我們解答疑惑，正是老師拼搏的敬業(yè)精神，嚴謹的治學態(tài)度，豐富的知識經驗，幫助我解決了一個又一個的難題。 盡管已經可以成功的設計出微波低噪聲放大器，但這僅僅是微波電路設計的入門，還有這眾多的元器件等著我去分析，未來仍需研究的問題還有很多： (1)微波低噪聲放大器作為接收機系統(tǒng)的最前端電路，輸入端和匹配電路本文有所考慮，但是作為負載的后級電路 并沒有考慮到，仍需進一步的工作。正是通過對 ADS 軟件的不斷學習，熟練運用，替代了微波低噪聲放大器的仿真設計中原本需要人工進行的大量繁瑣的計算過程，極大的提高了工作效率。 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 27 頁 共 39 頁 圖 偏置電路上各節(jié)點的電壓和電流值 最終整體電路 至此，微波低噪聲放大器各項技術指標已達標準，畢業(yè)設計結束。 (7)在原理圖的各個節(jié)點上，可以查看電壓和電流值，查看的步驟如下。 (3)在頻域源 SourcesFreq Domain元器件面板上，選擇直流電壓源 V_DC插入到原理圖的畫 圖區(qū)當中，將電壓設置為 Vdc=5V。 圖 計算偏置電阻的方程 圖 IBB、 Rb 和 Rc 的數據 (12)由圖 ，在 IBB=， Rb和 Rc的值如下。 圖 IBB， VBE 和 的掃描數據 (9)由圖 ，在 Vce=、 Ic=2mA時， IBB和 VBE的值 如下。 (5)在晶體管的基極插入一個節(jié)點，節(jié)點名稱為 VBE。 Sweep Type設為 Linear。 (2)將變量控件 VAR中的 VCE=0V修改為 VCE=。即應該設置它的工作點。 輸入駐波比在工作帶寬內的值為 ，小于 ，表明輸入駐波比滿足技術指標。 圖 噪聲 系數 nf(2)曲線 圖 增益曲線 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 24 頁 共 39 頁 圖 穩(wěn)定性因子曲線 圖 輸入輸出駐波比曲線 (5)由圖 、圖 ，在工作帶寬內，噪聲系數、增益、穩(wěn)定性因子、輸入駐波比和輸出駐波比的參數如下。穩(wěn)定性因子仿真控件如圖 。 單擊 S參數仿真控件設置窗口 中的 [OK]按鈕，完成對 S 參數仿真控件的設置，現(xiàn)在用于 S參數陜西理工學院畢業(yè)論文 第 22 頁 共 39 頁 仿真的控制器如圖 。 頻率掃描的起始值設為 。 原理圖中設置完成的優(yōu)化控件 Optim和目標控件 Goal如圖 。仿真控件選為 SP2。 目標控件 2的設置如下。 選擇 Max為 20。 選擇 Expr為 dB(S(1,1))。 優(yōu)化次數選擇 200次。 圖 輸入端單支節(jié)匹配網絡 圖 輸出端單支節(jié)匹配網絡 (10)在元器件面板列表上，選擇優(yōu)化元器件 [Optim/Stat/Yield/DOE]項。 將傳輸線 TL6的長度設置為可優(yōu)化，優(yōu)化范圍為 2mm到 20mm。 (8)單擊工具欄中的 [Insert Wire]按鈕，將前面的 MLIN、 MTEE、和 MLEF 連接起來，連接方式如圖，這構成輸入端單支節(jié)匹配網絡。 T形結 MTEE設置為 W1=， W2=， W3=。 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 20 頁 共 39 頁 傳輸線 TL1設置為寬度 W=，長度 L=2mm。 W=，表示微帶線的特性阻抗為 50Ω時，微帶線的寬度為 。 在 [Substrate Parameters]欄內對微帶線的參數賦值，為帶線參數的賦值與圖 。 (1)將原理圖 S_Params_1另存為原理圖 S_Params_2。 11S 曲線在中心頻率處的值為 ，表明輸入端匹配良好。 用矩形圖顯示 11S 、 12S 、 21S 和 22S 曲線。仿真的目的是為了觀察加入輸入匹配網絡后的參數曲線。 在原理圖中選中單支節(jié)匹配網絡 SSMtch元器件。在對話框中選擇 [Microstrip Control Window]選項， [PassiveCircuit]的對話框如圖 。 Zstub=50Ω，表示支節(jié)的特性阻抗為 50Ω。 Subst=“ MSub1”，表示單支節(jié)匹配網絡采用微帶線 MSUB1控件。 Rough=0mm，表示微帶線的表面粗糙度為 0mm。 Cond=+7，表示微帶線導體的電導率為 +7。 (1)在微帶線元器件面板中，找到 MSUB 并插入到原理圖 S_Params_1 的畫圖區(qū)中，在畫圖區(qū)中雙擊MSUB，彈出 [Microstrip Substrate]設置對話框，在 [Microstrip Substrate]對話框中將為帶 線的參數設置如下。 (10)利用同樣的方法，可以得出輸出阻抗 Zopt1。 (8)由于顯示的輸入阻抗 Zin1 是用幅角和相角表示的，在之后的仿真中計算很麻煩，所以需要將數據視窗中的數據改寫成用實部和虛部表示，具體步驟如下。 圖 可用于仿真 SP 模型元器件參數的原理圖 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 13 頁 共 39 頁 (5)在 S參數仿真元器件的面板上，選擇輸入阻抗測量空間 Zin插入到原理圖中，輸入阻抗測量控件Zin如圖 。 (2)在 S 參數仿真元器件面板上，選擇元器件負載終端 Term，兩次插入到原理圖的畫圖區(qū)當中。 本小節(jié)將運用 SP模型元器件 sp_hp_AT32021_5_19950105來設計低噪聲放大器。 通帶內增益、輸入輸出駐波比不符合技術指標，需要添加輸入輸出匹配網絡，通過輸入輸出匹配網絡以及優(yōu)化來實現(xiàn)這三項指標的達標。 通帶內的輸入駐波比不符合制定的技術指標。 圖 噪聲系數 nf(2)曲線 晶體管選取總結 (1)根據以上的各類分析可以看出，晶體管參數指標如下。 (6)單擊原理圖工具欄中的仿真按鈕，執(zhí)行仿真，在仿真結束后，數據顯示視窗將會自動彈出。 圖 晶體管 S 參數掃描電路 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 11 頁 共 39 頁 (5)雙擊 S參數掃描控件 SP，將控件的各項參數修改如下。 (1)在原理圖的主視窗 中選擇 [File]菜單→ [New]→ [Schematic]，輸入新建的原理圖名稱為S_Params，在 [Schematic Design Templates]中選擇 S_Params，完成晶體管 S參數掃描原理圖的創(chuàng)建步驟。 圖 晶體管工作點掃描的電路 (3)將參數掃描控制器 (PARAMETER SWEEP)中的 [Start]項修改 為 Start=0。通過這兩個元器件來了解 AT32021的各項技術指標，并且通過這兩個元器件設計微波低噪聲放大器的 仿真。 (1)單擊原理圖工具欄中的 [Display Component Library List]按鈕，打開元器件庫，元器件庫窗口如圖 。 創(chuàng)建原理圖 (1)選擇主視窗中的 [File]菜單→ [New]→ [Schematic]，在文件名中填寫 DC_curve，并在[Schematic Design Templates]中選擇 BJT_curve_tracer，點擊 [OK]完成。 選取晶體管 本次畢設選擇惠普公司的 AT32021晶體管，通過查詢 DataSheet可以確定 AT32021能夠作為低噪聲放大器的仿真晶體管。 通帶內的輸入駐波比小于 。 低噪聲放大器的設計指標 低噪聲放大器的中心頻率選為 ，帶寬 80MHz。 S 參數的物理意義 S參數的測定需要在輸入輸出端口匹配的前提下進行。由于表達的是電壓波，所以可以用入射波電壓與反射波電壓來反映 S參數。 () (2)噪聲系數 F也可以使用另一種物理意義來表示。 (2)22|1| ||1 SinSSG ??? ???，此為輸入匹配網絡的有效增益。 S? in? out? L? 圖 接有源和負載的放大器二端口網絡 同樣的也可以用解析法判別放大器的穩(wěn)定性。 放大器的穩(wěn)定性 在設計微波低噪聲放大器時，需要著重考慮電路的穩(wěn)定性，這與低頻電路的設計方法完全不同。 通帶內的輸出駐波比小于 。 通帶內的增益達到 11dB。整個微波通信系統(tǒng)的噪聲系數幾乎完全受微波低噪聲放大器的噪聲系數的影響，所以對其噪聲的優(yōu)化是一個相當重要的部分了。 [8] 本次畢業(yè)設計的意義和主要工作內容 低噪 聲放大器， 顧名思義為噪聲系數很低的放大器。 作為射頻前端的關鍵模塊的 LNA，國內外的學者都對其進行了細致的研究。近些年人們對硅基深亞微米 CMOS工藝技術不斷研究，使得 MOS晶體管的各項技術指標得到了顯著的改善。目前，利用 HEMT制作的多級低噪聲放大器已廣泛用于衛(wèi)星接收系統(tǒng)、電子系統(tǒng)及雷達系統(tǒng)。在接下來的五年里， HEMT已取得了明顯的進步，成為公認的最適于毫米波應用的低噪聲器件之一。在 80年代時期，低噪聲放大器的噪聲指標已經非常優(yōu)秀了，但由于體積重量均較大，功耗也比較大等缺點，衛(wèi)星地面終端對低噪聲、重量輕、低功耗以及高可靠性同時提出了要求，當時的低噪聲放大器還很難做到各項技術指標的達標。在六十年代中期，由于平面外延工藝的快速發(fā)展，雙極型晶體管也能夠應用于微波射頻波段。業(yè)界一直在追求完全集成的超寬帶通信系統(tǒng) SOC，與其他工藝相比， CMOS 工藝更易于系統(tǒng)集成 ,所以人們設計出了許多的 CMOS 工藝的超寬帶低噪聲放大器。寬帶低噪聲放大器的實現(xiàn)又有很多種類型。降低低噪聲放大器的噪聲溫度是降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本的一種最有效的方法 , 因為地面站天線的直徑可以通過改善噪聲溫度性能而減小。 [3] 在國際衛(wèi)星通信的應用中 , 低噪聲放大器的主要發(fā)展趨向是改進性能和降低成本。在電子對抗、雷達偵察中，由于需要接收到的信號的頻率范圍無法準確得知，其實頻率范圍也是要偵察的內容之一，因此要求接收系機的頻率范圍足夠大，同樣的放大器的頻率也被要求足夠寬。本文重點講解利用 ADS 軟件來設計微波低噪聲放大器的仿真以及優(yōu)化。為了同時保證低噪聲和高增益的技術達標，常采用共發(fā)射極一共基極基聯(lián)的低噪聲放大電路。理想放大器的噪聲系數 F=1（即 0dB），其表現(xiàn)的物理意義為輸出信噪比等于輸入信噪比。 [關鍵詞 ]低噪聲放大器 晶體管 噪聲系數 ADS