【正文】 標準兩端口網(wǎng)絡，則輸入輸出駐波比如下： (38) (39) 低噪聲放大器主要指標是噪聲系數(shù)所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設計的，其結(jié)果會偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會很好。而且只有在絕對穩(wěn)定的條件下晶體管才有可能達到最大增益，所以判斷一個晶體管的射頻是否絕對穩(wěn)定就相對變得重要。對條件穩(wěn)定的放大器，其負載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作，即使負載阻抗和源阻抗屬于標準的阻抗，但隨著溫度、濕度等環(huán)境的變化這些阻抗可能會發(fā)生變化，同時放大器的參數(shù)也會發(fā)生變化，而在設計基于有源兩端口網(wǎng)絡射頻放大電路時，絕對穩(wěn)定是非常有價值的。反之，若Γ01，將導致反射電壓波的幅度變?。ㄘ摲答仯?。考察電壓波沿傳輸線的傳輸，可以理解這種振蕩現(xiàn)象。 穩(wěn)定性放大器必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。根據(jù)經(jīng)驗，一般取值在15~20dB較為合適。通常，相關(guān)增益比最大增益大約低2~4dB。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，以此增益G 要下降。其次放大器的增益還與負載有關(guān)。但為了抑制后面各級的噪聲對系統(tǒng)的影響，其增益又不能太小。對于實際的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源與負載多為50Ω標準阻抗情況下實測的增益，一般用dB表示。只有盡量低，前級增益G1和G2足夠大，整機的噪聲性能才能足夠小。GG2和G3分別表示第一、第二級和第三級放大器的功率增益。 輸出. . . .RF放大RF放大RF放大RF放大 輸入F1 G1F2 G2F3 G3Fn Gn圖31 多級放大電路示意圖當系統(tǒng)中有多級放大器相連時，其系統(tǒng)總噪聲系數(shù)和總增益表達式為: （34）式中表示多級放大器總的噪聲系數(shù)。由此可見放大器的輸入匹配電路應該按照噪聲最佳來進行設計，也就是根據(jù)所選晶體管的來進行設計。當一個晶體管的源端所接的信號源的阻抗等于它所要求的最佳信號源阻抗時，由該晶體管構(gòu)成的放大器的噪聲系數(shù)最小。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，電路的拓撲結(jié)構(gòu)是否合理也是非常重要的。放大器噪聲系數(shù)是指放大器輸入端信號噪聲功率比 /與輸出端信號噪聲功率比 /的比值。通常當相對帶寬小于10%時稱為窄帶放大器，相對帶寬大于30%時稱為寬帶放大器，而相對帶寬大于100%時稱為超寬帶放大器，考慮到噪聲系數(shù)是主要指標，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。采用相對帶寬表示時，帶寬是無量綱的相對值。絕對帶寬定義如下： (31)采用絕對帶寬表示時，帶寬的量綱為Hz。而低噪聲放大器的帶寬不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內(nèi)噪聲要滿足要求。 帶寬為保證頻帶信號無失真地通過放大電路，要求其增益頻率響應特性必須有與信號帶寬相適應的平坦寬度。放大器所能允許的工作頻率與晶體管的特征頻率有關(guān)，由晶體管小信號模型可知，減小偏置電流的結(jié)果是晶體管的特征頻率降低。放大器的實際工作頻率盡可能限制在所定的工作頻率范圍。偏置網(wǎng)絡不僅要設定直流工作狀態(tài)，還要通過高頻扼流線圈和隔直電容確保直流偏置與射頻信號相互隔離。如果反饋根本不實用或不充分，就需要使用有源偏置，有源偏置網(wǎng)絡能改善靜態(tài)工作點的穩(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。無源網(wǎng)絡(即自偏置)是最簡單的偏置電路，通常由電阻網(wǎng)絡構(gòu)成，它為射頻晶體管提供合適的工作電壓和電流，但是這種電路的缺點就是對晶體管參數(shù)變化非常敏感，并且溫度穩(wěn)定較差。 偏置電路在電路系統(tǒng)設計中，直流偏置電路系統(tǒng)是射頻功率放大器運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。60年代前期，由于微波低損耗介質(zhì)材料和微波半導體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路，使微帶線得到廣泛應用，于是相繼出現(xiàn)了各種類型的微帶線。它是由介質(zhì)基片上的導帶和基片底部的金屬接地板構(gòu)成的，整個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、藍寶石等介質(zhì)材料，導帶采用良導體材料。 匹配方法阻抗匹配的方法有二：一是在不匹配系統(tǒng)中適當加入無功元件，稱為調(diào)配器，人為引入一個或多個反射并使之與原系統(tǒng)產(chǎn)生的反射相互抵消而達到匹配；二是兩不匹配系統(tǒng)間加接一個阻抗變換器，其作用是化原不匹配系統(tǒng)內(nèi)的大反射為多級的或漸變的小反射乃至最終過渡到匹配狀態(tài)。3. 行波狀態(tài)時傳輸線功率容量最大。2. 行波狀態(tài)時傳輸線的傳輸效率最高。需強調(diào)的是與必須對同一參考面而言，其中為從參考面處向負載看去的輸入阻抗，為從參考面處向波源看去的輸入阻抗。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。一般而言，最佳的解決方案依賴于電路的要求，例如簡單易于實現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波動，設計的可實現(xiàn)性和可調(diào)節(jié)性，設定的工作條件，足夠的諧波抑制等。這是兩個不同性質(zhì)的問題，前者要求信號源內(nèi)阻與長線輸入阻抗實現(xiàn)共軛匹配；后者要求負載與長線實現(xiàn)無反射匹配。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。一般而言，最佳的解決方案依賴于電路的要求，例如簡單易于實現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波動，設計的可實現(xiàn)性和可調(diào)節(jié)性，設定的工作條件，足夠的諧波抑制等。因此，阻抗匹配問題極其重要。假定系統(tǒng)是線性的，參數(shù)定義為：[] 圖22 二端口網(wǎng)絡S參數(shù) （22）式中稱為雙端口網(wǎng)絡的散射矩陣，簡稱為矩陣，它的各個參數(shù)的意義如下：：表示2端口匹配，1端口的反射系數(shù)；：表示2端口匹配，1端口到2端口的傳輸系數(shù)；：表示1端口匹配，2端口到1端口的傳輸系數(shù)；：表示1端口匹配，2端口的反射系數(shù)；在射頻與微波頻段上，與端口的開路、短路條件相比，端口的匹配比較容實現(xiàn)，在端口匹配條件下進行測試也比較安全。應用參數(shù)測量和校準都變得容易。另外，當涉及電磁波傳播時也不希望反射系數(shù)的模等于1，在這種情況下，終端的不連續(xù)性將導致有害的電壓、電流反射，并產(chǎn)生可能造成器件損壞的振蕩。其原因在于實際射頻系統(tǒng)不再采用終端開路、導線形成短路的測量方法。根據(jù)上面介紹的等電阻圓和等電抗圓圖，能過簡單有效的確定電路的阻抗，并進行阻抗匹配。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長度是1，即100% 反射。圖中的圓形線代表電阻抗力的實數(shù)值，即電阻值，中間的橫線與向上和向下散出的線則代表電阻抗力的虛數(shù)值，即由電容或電感在高頻下所產(chǎn)生的阻力，當中向上的是正數(shù)，向下的是負數(shù)。反射系數(shù)(reflection coefficient)能用下式的復數(shù)形式表達出來： (21)其中，是電路的負載值,是傳輸線的特性阻抗值，通常會使用50Ω。2 低噪聲放大器理論綜述 史密斯圓圖P．H．Simth開發(fā)了以保角映射原理為基礎的圖解。第四部分為具體的設計過程，對每一部分的設計都進行了大量細致的工作，主要包括輸入輸出最佳阻抗的獲得和匹配網(wǎng)絡的具體實現(xiàn)，并對每級電路整體性能的優(yōu)化實現(xiàn)給出了具體方法和步驟。第三部分為低噪聲放大器的基本指標。第二部分為低噪聲放大器理論綜述。具體內(nèi)容如下：第一部分為引言。本課題對低噪聲放大器的多種設計方法進行了研究，查閱了大量的資料，總結(jié)了前輩的設計經(jīng)驗，運用美國Agilent公司的高級設計軟件 ADS2008 仿真。由于它處于接收機放大鏈的前端，因此，對整個系統(tǒng)來講是非常重要的。但是，總體說來，除了高度集成工藝外，國內(nèi)外總的設計手段是相差不大的，在研制方法上，國內(nèi)與國外也是基本相同的。我們發(fā)現(xiàn)微波晶體管低噪聲放大器的巨大變革通常是隨著微波放大器件的產(chǎn)生和工藝技術(shù)的改進而發(fā)展的。1996年， Kabayashi等人研制出了S波段的HEMT—HBT單片集成接收機。很多公司為了滿足這一需求,除了在技術(shù)方面投資以外,逐漸開始在提高HEMT性價比上增加投入。目前國外8 mm以下的HEMT己商品化，在極低噪聲的許多應用領(lǐng)域已取代GaAs MESFET，而且在微波/毫米波功率應用中也越來越引人注目。這種器件提供高柵漏和柵源擊穿電壓，門偏壓降低到夾斷電壓接近恒量的跨導，適度高的最大溝道電流能夠得到高效率的器件推動高電子遷移率晶體管（HEMT）的問世，其低噪聲性能比場效應管更優(yōu)越并大量投入商用。目前微波 HBT 的截止頻率達到了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。這種新的技術(shù)發(fā)展水平功率GaAs HFET器件擁