低噪声放大器论文

目次1 前言 (2)1.1 低噪声放大器简介 (2)1.2 低噪声放大器的发展现状 (2)1.3 本课题的研究方法及主要工作 (3)2 低噪声放大器理论综述 (4)2.1 史密斯圆图 (4)2.2 S参数 (5)2.3 长线的阻抗匹配 (6)2.3.1 微波源的共轭匹配 (6)2.3.2 负载的匹配 (6)2.3.3 匹配方法 (7)2.4 微带线简介 (7)3 低噪声放大器的基本性能指标 (7)3.1 中心频率f0 (7)3.2 带宽 (8)3.3 噪声系数 (8)3.4 增益 (9)3.5 稳定性 (10)3.6 端口驻波比和反射损耗 (10)4 低噪声放大器设计仿真及优化 (11)4.1 指标目标 (11)4.2选取晶体管并仿真晶体管参数 (11)4.3晶体管S参数扫描 (12)4.4放大器的稳定性分析 (14)4.5设计输入匹配网络 (16)4.5.1 匹配原理 (16)4.5.2计算输入阻抗 (18)4.5.3单支节匹配电路 (18)4.6设计并优化输入输出匹配网络 (20)结论 ................................................. 错误!未定义书签。

致谢 ................................................. 错误!未定义书签。

参考文献 .. (24)1 前言1.1 低噪声放大器简介[1][2]低噪声微波放大器（LNA）已广泛应用于微波通信、GPS 接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗、射电天文、大地测绘、电视及各种高精度的微波测量系统中，是必不可少的重要电路。

低噪声放大器位于射频接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的低电压信号进行小信号放大。

前级放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响最大，它的增益将决定对后级电路的噪声抑制程度，它的线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑制比产生重要影响。

对低噪声放大器的基本要求是：噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好、足够的带宽和大的动态范围。

Advanced Design System(ADS)软件是Agilent公司在HP EESOF EDA软件基础上发展完善的大型综合设计软件，它功能强大，能够提供各种射频微波电路的仿真和优化设计，广泛应用于通信、航天等领域，是射频工程师的得力助手。

本文着重介绍如何使用ADS 进行低噪声放大器的仿真与优化设计。

1.2 低噪声放大器的发展现状[3][4][5]从上个世纪60年代中期开始，由于平面外延工艺的发展，双极晶体管的工作频率跨进微波频段，平面外延晶体管的工作频率达到1GHz以上，出现了微波双极晶体管及其相应的放大器，而同时伴随着场效应晶体管（FET）理论的提出，包括金属绝缘栅半导体FET (如MOSFET) 、结型场效应晶体管(JFET) 、金属半导体场效应管(MESFET) 和近代的异质结场效应管(Hetero-FET) ,如HEMT等随之出现。

近几年来，随着材料生长技术（比如分子束外延和分子化学蒸发沉积）和新型器件结构可靠性的提高，开始从更高的输出功率和效率方面改善器件的功能。

这种新的技术发展水平功率GaAs HFET器件拥有基于异质结化合物AlGaAs 、GaAs InGaP、GaAs、InAlAs、InGaAs的结构。

双极结型晶体管器件被引入异质结结构制成HBT。

目前微波HBT 的截止频率达到了200 GHz ,因此在微波、低噪声、超高速及低功耗方面具有很大的优越性。

异质结不但能够构成双极型晶体管,还可以构成场效应晶体管,即异质结场效应管(HFET) 。

这种器件提供高栅漏和栅源击穿电压，门偏压降低到夹断电压接近恒量的跨导，适度高的最大沟道电流能够得到高效率的器件推动高电子迁移率晶体管（HEMT）的问世，其低噪声性能比场效应管更优越并大量投入商用。

[3]在C波段其噪声温度可达25K左右，广泛应用于卫星接收。

目前国外8 mm以下的HEMT己商品化，在极低噪声的许多应用领域已取代GaAs MESFET，而且在微波/毫米波功率应用中也越来越引人注目。

由于HFET在工艺制造过程中要精确控制薄层结构、陡峭的掺杂梯度以及采用更难加工的半导体材料,制造一个HEMT要比GaAs MESFET的花费昂贵得多,随着技术的进步和科技的发展,人们对高性能低成本的HEMT需求更大。

很多公司为了满足这一需求,除了在技术方面投资以外,逐渐开始在提高HEMT性价比上增加投入。

值得注意的是，国外单片集成(MMIC)微波器件发展很快，这是一种在几平方毫米砷化镓基片上集成的微波放大器，其体积小、噪声系数一般增益高。

1996年，TRW 公司K.W Kabayashi等人研制出了S波段的HEMT—HBT单片集成接收机。

该系统包括一个二级HEMT低噪声射频放大器、一级HEMT本征放大器和HBT双平衡混频器，三者均集成在同一片材料上，该HEMT—HBT的MMIC系统利用HEMT—HBT选择性MBEIC技术，代表了当今最好的IC技术，充分展示了超越于单纯MMIC和混合集成技术的优点。

我们发现微波晶体管低噪声放大器的巨大变革通常是随着微波放大器件的产生和工艺技术的改进而发展的。

相对于国外，由于国内的制作工艺起步较晚，国内有源电路技术指标的快速提高受到了限制。

但是，总体说来，除了高度集成工艺外，国内外总的设计手段是相差不大的，在研制方法上，国内与国外也是基本相同的。

1.3 本课题的研究方法及主要工作[6][7]低噪声放大器是无线接收机前端的重要部分，其主要作用是放大微弱信号，尽量使放大器引入的噪声减小。

由于它处于接收机放大链的前端，因此，对整个系统来讲是非常重要的。

它的噪声系数、增益和线性度等指标对整个射频接收机系统的性能有重要影响，其中噪声系数几乎决定了整个接收机的噪声性能。

接收机灵敏度公式如下所示：（1.1）式中：k为波尔兹曼常数，T0为温度，B为带宽，(S0/N0)min是系统正确解调出接收信号所需的最小输出信噪比，Fn为噪声系数。

由上式可以看到，在影响接收机灵敏度的几个因素中，在常温下T0是不变的，带宽B和(S0/N0)min是由接收机结构决定的。

当然也可以通过改变接收机结构来改变B和(S0/N0)min或者采用低温来降低T0，本课题主要讨论噪声系数对接收机灵敏度的影响，不考虑温度的影响。

本课题对低噪声放大器的多种设计方法进行了研究，查阅了大量的资料，总结了前辈的设计经验，运用美国Agilent公司的高级设计软件ADS2008 仿真，设计了一个在2.45GHz的频率范围内满足指标要求的低噪声放大器，利用smith圆图设计匹配网络，较详细的研究了偏置电路的设计，并且对偏置电路对整个电路的影响进行了讨论。

2 低噪声放大器理论综述2.1 史密斯圆图[8]史密斯图是一款用于电机与电子工程学的图表，主要用于传输线的阻抗匹配上。

采用双线性变换，将z复平面上实部r=常数和虚部x＝常数，两族正交直线变化为正交圆，并与：反射系数| |=常数和虚部x＝常数套印而成。

图2.1 史密斯圆图用归一化的负载阻抗来表示反射系数：1111L nL O L nL OZ Z Z Z Z Z --Γ==++ （2.1） 归一化的负载阻抗和Γ之间的关系是一一对应的。

所以画在史密斯原图上的曲线只不过是在Γ平面上画出的常数电阻和电抗的等值线。

当中的Γ代表其线路的反射系数，即S 11，nL Z 是归一负载值，即L Z /O Z 。

L Z 是电路的负载值，O Z 是传输线的特性阻抗值，通常会使用50Ω。

图表中的圆形线代表电阻抗力的实数值，即电阻值，中间的横线与向上和向下散出的线则代表电阻抗力的虚数值，即由电容或电感在高频下所产生的阻力，当中向上的是正数，向下的是负数。

图表最中间的点(1+j0)代表一个已匹配的电阻数值，同时其反射系数的值会是零。

图表的边缘代表其反射系数的长度是1，即100%反射。

在图边的数字代表反射系数的角度(0~180度)和波长(由零至半个波长)。

2.2 S 参数[9]在绝大多数涉及射频系统的技术资料和数据手册中，都用到散射参数(S 参数)。

其原因在于实际射频系统不再采用终端开路、导线形成短路的测量方法。

采用导线形成短路的时候，导线本身存在电感，而且其电感量在高频下非常之大，此外，开路情况也会在终端形成负载电容。

另外，当涉及电磁波传播时也不希望反射系数的模等于1，在这种情况下，终端的不连续性将导致有害的电压、电流反射，并产生可能造成器件损坏的振荡。

S 参数描述了两端口入射功率和反射功率之间的关系，而不是电压和电流的关系。

应用S 参数测量和校准都变得容易[4]。

描述一个系统被V 1和V 2激励，a 1、a 2和b 1、b 2分别表示输入和输出口的入射波、反射波功率。

假定系统是线性的，S 参数定义为：图2.2 二端口网络S 参数111121221222b S S a b S S a ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦（2.2） 式中[]11122122S S S S S ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦称为双端口网络的散射矩阵，简称为[]S 矩阵，它的个参数的意义如下： 21111b S a =端匹配：表示2端口匹配，1端口的反射系数22211b S a =端匹配：表示2端口匹配，1端口到2端口的传输系数11122b S a =端匹配：表示1端口匹配，2端口到1端口的传输系数12222b S a =端匹配：表示1端口匹配，2端口的反射系数 在射频与微波频段上，与端口的开路、短路条件相比，端口的匹配比较容实现，在端口匹配条件下进行测试也比较安全。

2.3 长线的阻抗匹配[10]匹配包含两个方面的含义：一是微波源的匹配，要解决的问题是如何从微波源中取出最大功率；二是负载的匹配，要解决的问题是如何是负载吸收全部入射功率。

这是两个不同性质的问题，前者要求信号源内阻与长线输入阻抗实现共轭匹配；后者要求负载与长线实现无反射匹配。

2.3.1 微波源的共轭匹配对于一个给定的微波源，其输出最大功率的条件是：在同一参考面上负载的输入阻抗Z i 与波源的内阻抗Z s 互为共轭复数，这个条件称为“共轭匹配”。

需强调的是Z i 与Z s 必须对同一参考面而言，其中Z i 为从参考面处向负载看去的输入阻抗，Z s 为从参考面处向波源看去的输入阻抗。

2.3.2 负载的匹配在传输微波功率时一般都希望负载时匹配的，因为匹配负载无反射，传输线中为行波状态，这对于传输微波功率来说，主要有以下几点好处：1）匹配负载可以从匹配源输出功率中吸收最大功率。

2）行波状态时传输线的传输效率最高。

因反射波带回的能量和入射波一样 会在传输线中产生损耗，固有反射时的损耗功率增大，传输效率低。

3）行波状态时传输线功率容量最大。