【正文】 ............................... 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(shè)計仿真及優(yōu)化 .................................................................................. 15 指標(biāo)目標(biāo)及設(shè)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(shè)計輸入匹配網(wǎng)絡(luò) .............................................................................................. 21 匹配原理 ......................................................................................................21 計算輸入阻抗 ..............................................................................................23 單支節(jié)匹配電路 ..........................................................................................23 設(shè)計并優(yōu)化輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò) .......................................................................... 25 結(jié) 論 ............................................................................................................................... 30 參考文獻 ............................................................................................................................. 32 致 謝 ............................................................................................................................. 34 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)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(lǐng)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。這些系統(tǒng)正在用于各種場合，包括機關(guān)團體、生產(chǎn)制造工廠、市政基層設(shè)施，以及個人家庭等。這又轉(zhuǎn)而降低了大批新型的低成本無線、有線射頻和微波業(yè)務(wù)的實現(xiàn)成本，其中包括廉價 的手持 GPS 導(dǎo)航設(shè)備、汽車防撞雷達，以及到處有售的寬帶數(shù)字服務(wù)入口等。 隨著微波、毫米波技術(shù)的迅速發(fā)展，微波通信、導(dǎo)航、制導(dǎo)、衛(wèi)星通信以及軍事電子對抗戰(zhàn)和雷達等領(lǐng)域?qū)ι漕l放大模塊的需求量也越來越大。另一方面，由于新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，以及半導(dǎo)體技術(shù)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。在接收系統(tǒng)中，低噪聲放大器總是處于前端的位置。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，保證系統(tǒng)工作的正常運行。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)天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 2 計方法已經(jīng)成為射頻微波系統(tǒng)設(shè)計中的關(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進行小信號放大。對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態(tài)范圍。本文著重介紹如何使用 ADS 進行低噪聲放大器的仿真與優(yōu)化設(shè)計。近幾年來，隨著材料生長技術(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)成場效應(yīng)晶體管 ,即異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管 (HFET) 。在 C 波段其噪聲溫度可達 25K 左右，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星接收。由于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 3 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 HEMT 要比 GaAs MESFET 的花費昂貴得多 ,隨著技術(shù)的進步和科技的發(fā)展 ,人們對高性能低成本的 HEMT 需求更大。 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。該系統(tǒng)包括一個二級 HEMT 低噪聲射頻放大器、一級 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。相對于國外，由于國內(nèi)的制作工藝起步較晚，國內(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 低噪聲放大器是無線接收機前端的重要部分，其主要作用是放大微弱信號，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。 全文可以分為五部分 。首先簡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，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。分析了 低噪聲放大器 設(shè)計需要注意的指標(biāo)，為后面的具體設(shè)計提供理論依托。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 4 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一步研究的問題。這種方法的優(yōu)點是有可能在同一個圖中簡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 (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。天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 6 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) 進行傳輸線的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 ； 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)手冊中，都用到散射參數(shù) (S 參數(shù) )。采用導(dǎo)線形成短路的時候，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，開路情況也會在終端形成負(fù)載電容。 S 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。 描述一個系統(tǒng)被 1V 和 2V 激勵， 1a 、 2a 和 1b 、 2b 分別表示輸入和輸出口的入射波、反射波功率。 長線的阻抗匹配 在低噪聲放大器的設(shè)計中，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(fù)載的天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 輸入阻抗 iZ 與波源的內(nèi)阻抗 sZ 互為共軛復(fù)數(shù)，這個條件稱為“共軛匹配”。 負(fù)載的匹配 在傳輸微波功率時一般都希望負(fù)載時匹配的，因為匹配負(fù)載無反射，傳輸線中為行波狀態(tài)，這對于傳輸微波功率來說，主要有以下幾點好處： 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在傳 輸線中產(chǎn)生損耗，固有反射時的損耗功率增大，傳輸效率低。因在駐波狀態(tài)時，沿線的高頻電場分布出現(xiàn)波腹，波腹處的電場比傳輸同樣功率時的行波電場高得多，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 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 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)時微帶線的特性阻抗； 01Z 為填充空氣時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]。偏置網(wǎng)絡(luò)有兩大類型：無源網(wǎng)絡(luò)和有源網(wǎng)絡(luò)。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。 低噪聲 放 大器設(shè)計的第一步就是確定晶體管的靜態(tài)直流工作點，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，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。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 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。 考慮到噪聲系數(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，對應(yīng)的頻率寬度為放大器的通頻帶，通常以 BW 表示，即帶寬。帶寬又分為絕對帶寬和相對帶寬。 相對帶寬常用的表示方法為百分比法。百分比法定義為絕對帶寬占中心頻率的百分?jǐn)?shù) ，用 RBW 表示為： 001 0 0 1 0 0HLff BWRBW ff?? ? ? ? ? ? (32) 其中 0f 為中心頻率。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 11 噪聲系數(shù) 在電路某一特定點上的信號功率與噪聲功率之比，稱為信號噪聲比，簡稱信噪比，用符號 sP /nP (或