【正文】 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。因此，研制合適的寬頻帶、高性能、更低噪聲的放大器，研究出一套高效率的、精準(zhǔn)的放大器設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成為射頻微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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(hào)進(jìn)行小信號(hào)放大。對(duì)低噪聲放大器的基本要求是：噪聲系數(shù)低、足夠的功率增益、工作穩(wěn)定性好、足夠的帶寬和大的動(dòng)態(tài)范圍。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)。近幾年來，隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)（比如分子束外延和分子化學(xué)蒸發(fā)沉積）和新型器件結(jié)構(gòu)可靠性的提高，開始從更高的輸出功率和效率方面改善器件的功能。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。異質(zhì)結(jié)不但能夠構(gòu)成雙極型晶體管,還可以構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)晶體管,即異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管(HFET) 。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。由于HFET在工藝制造過程中要精確控制薄層結(jié)構(gòu)、陡峭的摻雜梯度以及采用更難加工的半導(dǎo)體材料,制造一個(gè)HEMT要比GaAs MESFET的花費(fèi)昂貴得多,隨著技術(shù)的進(jìn)步和科技的發(fā)展,人們對(duì)高性能低成本的HEMT需求更大。值得注意的是，國(guó)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。該系統(tǒng)包括一個(gè)二級(jí)HEMT低噪聲射頻放大器、一級(jí)HEMT本征放大器和HBT雙平衡混頻器，三者均集成在同一片材料上，該HEMT—HBT的MMIC系統(tǒng)利用HEMT—HBT選擇性MBEIC技術(shù)，代表了當(dāng)今最好的IC技術(shù)，充分展示了超越于單純MMIC和混合集成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。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。 本課題的研究方法及主要工作低噪聲放大器是無(wú)線接收機(jī)前端的重要部分，其主要作用是放大微弱信號(hào)，盡量使放大器引入的噪聲減小。它的噪聲系數(shù)、增益和線性度等指標(biāo)對(duì)整個(gè)射頻接收機(jī)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(gè)接收機(jī)的噪聲性能。全文可以分為五部分。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。介紹了史密斯圓圖、S參數(shù)、阻抗匹配、微帶線理論基礎(chǔ)知識(shí)。分析了低噪聲放大器設(shè)計(jì)需要注意的指標(biāo)，為后面的具體設(shè)計(jì)提供理論依托。第五部分為總結(jié)和研究前景的展望，分析了研究中的不足和思考，提出了一些有利于進(jìn)一步研究的問題。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)。圖21 等電阻圓和等電抗圓圖 圖21是史密斯圓圖中的等電阻圓和等電抗圓圖。圖表最中間的點(diǎn)(1+j0)代表一個(gè)已匹配(matched)的電阻數(shù)值()，同時(shí)其反射系數(shù)的值會(huì)是零。有一些圖表是以導(dǎo)納值(admittance)來表示，把上述的阻抗值版本旋轉(zhuǎn)180度即可。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))。采用導(dǎo)線形成短路的時(shí)候，導(dǎo)線本身存在電感，而且其電感量在高頻下非常之大，此外，開路情況也會(huì)在終端形成負(fù)載電容。參數(shù)描述了兩端口入射功率和反射功率之間的關(guān)系，而不是電壓和電流的關(guān)系。描述一個(gè)系統(tǒng)被和激勵(lì)，、和、分別表示輸入和輸出口的入射波、反射波功率。 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。阻抗匹配的目的是使源傳遞給負(fù)載最大的射頻功率。由此得到很多類型的匹配網(wǎng)絡(luò)，包括集總元件和傳輸線。匹配包含兩個(gè)方面的含義：一是微波源的匹配，要解決的問題是如何從微波源中取出最大功率；二是負(fù)載的匹配，要解決的問題是如何是負(fù)載吸收全部入射功率。 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。由此得到很多類型的匹配網(wǎng)絡(luò)，包括集總元件和傳輸線。對(duì)于一個(gè)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(fù)載的輸入阻抗與波源的內(nèi)阻抗互為共軛復(fù)數(shù)，這個(gè)條件稱為“共軛匹配”。 負(fù)載的匹配在傳輸微波功率時(shí)一般都希望負(fù)載時(shí)匹配的，因?yàn)槠ヅ湄?fù)載無(wú)反射，傳輸線中為行波狀態(tài)，這對(duì)于傳輸微波功率來說，主要有以下幾點(diǎn)好處：1. 匹配負(fù)載可以從匹配源輸出功率中吸收最大功率。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。因在駐波狀態(tài)時(shí)，沿線的高頻電場(chǎng)分布出現(xiàn)波腹，波腹處的電場(chǎng)比傳輸同樣功率時(shí)的行波電場(chǎng)高得多，因此容易發(fā)生擊穿，從而限制了功率容量。 微帶線簡(jiǎn)介微帶線屬于敞開式部分填充介質(zhì)的雙導(dǎo)體傳輸線。微帶線適合制作微波集成電路的平面結(jié)構(gòu)傳輸線，與金屬波導(dǎo)相比，其體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等；但損耗稍大，功率容量小。微帶線的參數(shù)確定如下，微帶線特性阻抗的大小由導(dǎo)體帶寬度和介質(zhì)板的厚度h以及有效介電常數(shù)決定的，如下： (23) （24）式中為填充介電常數(shù)為的介質(zhì)時(shí)微帶線的特性阻抗；為填充空氣時(shí)的同一尺寸微帶線的特性阻抗；為微帶線的導(dǎo)帶寬度；為微帶線的介質(zhì)基片厚度。偏置網(wǎng)絡(luò)有兩大類型：無(wú)源網(wǎng)絡(luò)和有源網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)橹绷鞣答伩偸且档碗妷禾峁┑墓β?，考慮到現(xiàn)在是低壓工作，所以有效的反饋比較難。低噪聲放大器設(shè)計(jì)的第一步就是確定晶體管的靜態(tài)直流工作點(diǎn)，偏置的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，并抑制晶體管的離散性以及溫度變化的影響從而保持恒定的工作特性。333 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?？紤]到噪聲系數(shù)是主要指標(biāo)，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太寬。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。放大電路電壓增益頻率響應(yīng)特性為最大值下降3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率寬度為放大器的通頻帶，通常以表示，即帶寬。帶寬又分為絕對(duì)帶寬和相對(duì)帶寬。相對(duì)帶寬常用的表示方法為百分比法。百分比法定義為絕對(duì)帶寬占中心頻率的百分?jǐn)?shù)，用表示為： (32)其中為中心頻率。 噪聲系數(shù)在電路某一特定點(diǎn)上的信號(hào)功率與噪聲功率之比，稱為信號(hào)噪聲比，簡(jiǎn)稱信噪比，用符號(hào)/(或 /)表示。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號(hào)通過放大器之后，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)。放大器的噪聲系數(shù)和信號(hào)源的阻抗有關(guān)，而與負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中放大器的噪聲系數(shù)可以表示為： （33）是當(dāng)源端為最佳源阻抗時(shí)放大器的最小噪聲系數(shù)，是噪聲阻抗，是放大器按最小噪聲系數(shù)匹配時(shí)的最佳源反射系數(shù)。設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí)采用共軛匹配，以獲得放大器較高的功率增益和較好的輸出駐波比[6]。、和分別表第一、第二和第三級(jí)的噪聲系數(shù)。從上式知道，越后項(xiàng)分母越大，所以初級(jí)噪聲系數(shù)對(duì)總體噪聲系數(shù)的影響最大。 增益根據(jù)線型網(wǎng)絡(luò)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。其表達(dá)式為放大器輸出功率與輸入功率的比值： （35）低噪聲放大器的增益要適中，太大會(huì)使下級(jí)混頻器輸入太大，產(chǎn)生失真。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。低噪聲放大器大都是按照噪聲最佳匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)的。噪聲最佳匹配情況下的增益成為相關(guān)增益。所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。增益平坦度是指功率最大增益與最小增益之差，它用來描述工作頻帶內(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。這一點(diǎn)對(duì)于射頻電路是非常重要的，因?yàn)樯漕l電路在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的趨勢(shì)。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(dǎo)致不穩(wěn)定的現(xiàn)象。當(dāng)放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1,即 1,1 時(shí)，不管源阻抗和負(fù)載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的，稱為絕對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定。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。而一個(gè)晶體管的射頻穩(wěn)定條件是： （36）式中有： （37）為穩(wěn)定性判別系數(shù)，只有當(dāng)式（36）中的3個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。此外，由于微 波場(chǎng)效應(yīng)晶體或雙極