（电子科学与技术专业论文）微波低噪声放大器设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a so n eo fm i c r o w a v er e c e i v i n gs y s t e mm o d u l e s ，l o wn o i s ea m p l i f i e rp l a y sa d e c i s i v er o l eo nt h ee n t i r es y s t e mp e r f o r m a n c e t h el o wn o i s ea m p l i f i e ri sw i d e l y u s e di nm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n s ，r a d a r s ，e l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e s ，t e l e m e t r y a n dr e m o t em a p p i n g ，r a d i oa s t r o n o m y , g e o d e t i c ，e t c t h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fl n a a r er e l i a b i l i t y , l o wn o i s e ，e n o u g hg a i n , s u f f i c i e n tb a n d w i d t ha n d 谢d ed y n a m i cr a n g e i n a d d i t i o n , t h e i rv o l u m e s ，p o w e rc o n s u m p t i o n s ，e t c m a yb er e q u i r e du n d e rt h ed i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s a tp r e s e n t ，t h el n a i sd e v e l o p e dt o w a r d st ot h ed i r e c t i o n so ft h eh i g h e r f r e q u e n c y , l o w e rn o i s e ，w i d e rb a n d w i d t h , h i g h e rl i n e a r i t y , m o r ei n t e g r a t i o n a n d s t a n d a r d i z a t i o i l t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h eb a s i st h e o r e t i c a lo fm i c r o w a v el o wn o i s ea m p l i f i e r f i r s t l y , a n dt h e nr e s e a r c h e dt h ed e s i g no f t h el o wn o i s ea m p l i f i e rw h i c hi n c l u d e st h e c a l c u l a t i n go ft h en o i s ef i g u r e ，t h ec h o o s i n go ft h em a t c h i n gc i r c u i ta n dt h ei m p r o v i n g m e t h o do ft h es t a b i l i t yo fl n a , e r e al i m i t e dl o wn o i s ea m p l i f i e rw h i c hh a sa f r e q u e n c yr a n g eo f2 0 g h zt o 2 4 g h za n dal o wn o i s ea m p l i f i e rw h i c hh a sa f r e q u e n c yr a n g eo f5 6 g h zt o6 8 g h zw e r ed e s i g n e db yu s i n gt h em i c r o w a v ec i r c u i t s i m u l a t i o ns o f t w a r ea d v a n c e dd e s i g ns y s t e m a n dt h e2 0 g h zt o2 4 g h zl i m i t e dl o w n o i s ea m p l i f i e ru s e dl u m p e dp a r a m e t e r sa n dd i s t r i b u t e dp a r a m e t e r sh y b r i dm a t c h e d 删c hu s e ds o u r c e - l e v e ls e r i e sn e g a t i v ef e e d b a c kt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h e a m p l i f i e r 7 a n dt h ep e r f o r m a n c ea r es h o w na sf o l l o w s ：t h en o i s ef i g u r ei sl e s st h a nld b ， t h eg a i ni sm o r et h a n3 0 d b ，t h ef l u c t u a t i o ni sl e s st h a nld b ，t h ei n p u ta n do u t p u tv s w r i sl e s st h a n1 5 ，a n dt h eo u t p u tld bg a i nc o m p r e s s i o np o i n ti sb e t t e rt h a n15 d b m t h e l i m i t e rd e s i g n e db ym a - c o mc o m p a n y sl i m i t e dd i o d ec o u l do p e r a t ep e r f e c t l yw h e n t h ei n p u tp u l s ep o w e ri su pt o4 0 0 w , a n dl e s st h a n0 3 d bi n s e r t i o nl o s s t h i sl i m i t e rh a s as i m p l es t r u c t u r e ，s t a b l ep e r f o r m a n c e ，s t r o n gl i m i t i n ga b i l i t y , l o wi n s e r t i o nl o s se t c t h e 5 6 g h zt o6 8 g h zl i m i t e dl o wn o i s ea m p l i f i e ru s e dm i e r o s t r i pi m p e d a n c ej u m ps t y l e m a t c h e d ，w i t has i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt od e b u ge a s yp r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c s u s e d e me l e c t r o m a g n e t i ch y b r i ds i m u l a t i o no ft h ea d sm o m e n t u mt h r e e - d i m e n s i o n a l s i m u l a t o r , a n df u l la c c o u n tt h ei m p a c to fd i s t r i b u t e dp a r a m e t e ra n dt h ep a c k a g eo ft h e n a b s t r a c t d e v i c e s ，i m p r o v et h es i m u l a t i o na c c u r a c y t h ep e r f o r m a n c ea r es h o w na sf o l l o w s ：t h e n o i s ef i g u r ei sl e s st h a n1 2 d b ，t h eg a i ni sm o r et h a n4 0 d b ，t h ef l u c t u a t i o ni sl e s st h a n ld b ，t h ei n p u ta n do u t p u tv s w ri sl e s st h a n1 5 k e yw o r d s ：p i nd i o d e ，l o wn o i s e ，l i m i t c r ，s t a b i l i t y ，a d s i i ! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：通叁臁瑚年e 月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：专算孬， 导师签名： 醐沙海朋矿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 低噪声放大器的应用 在微波射频接收机系统中，低噪声放大器( 1 0 w n o i s ea m p l i f i e r 简称l n a ) 是接 收机前端系统的最重要模块，是现代微波毫米波通信、雷达、电子战系统等应用 中的重要组成部分，接收机的灵敏度计算公式为： s = 一1 7 4 + 1 0 1 0 9 l o n f + 1 0 l o g l o w + s n( 1 1 ) 其中w 为接收机带宽即数字处理部分的数字滤波器所选的带宽，s n 为接收 机解调时a d 所需的最小信噪比，n f 为接收机噪声。一旦接收机的调制方式选定 后，接收系统所能解调到的信号的最小信噪比s n 就确定了，通常理论值为6 到 1 2 之间，占用带宽也基本确定了。因此一旦调制方式确定以后，决定接收机系统 的灵敏度的重要指标为接收通道的噪声系数。而由于多级级联的接收系统中噪声 系数计算公式为： 胛：f + n f 2 - 1 + n f 3 - 1 + ( 1 - 2 ) g lg l g 2 其中嬲，幔，l v f 3 为各级放大器噪声系数此处并非对数值而是噪声系数的 实际数值，g l ，g 2 ，g 为各级增益，也为实际数值而非对数值【l 】。若通道中有些器 件为无增益只有插入损耗l 的器件，像射频滤波器及无源混频器等具有插入损耗 的一类器件，此级增益即为负的损耗值。由此我们可以看出影响噪声系数的主要 因素为第一级。因此如果在一个接收机系统的最前端采用噪声系数较低的低噪声 放大器，在放大接收信号的同时抑制噪声干扰，对接受系统灵敏度的提高至关重 要。如果此低噪声放大器的噪声系数足够低并且有一定的增益的情况下，就能够 抑制后级电路的噪声，使整个接收机系统的噪声主要取决于低噪声放大器噪声及 其之前的开关、隔离器( 环行器) 及其滤波器的插入损耗。如果低噪声放大器的 噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度将大 大提高。因此低噪声放大器噪声性能将直接影响整个系统的噪声性能，进而决定 接收机的灵敏度。其线性特性将在很大程度上决定整机的线性动态范围。并且再 设计中为了达到最大的功率传输必须保证其端口阻抗为5 0 q 的标准阻抗。与普通 电子科技大学硕士学位论文 放大器相比，低噪声放大器一方面可以减小系统的杂波干扰，提高系统的灵敏度； 另一方面放大系统接受下来的微弱信号，保证系统工作的正常运行。微波低噪声 放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高， 也起了决定性的作用。因此，研制合适的高性能的低噪声的放大器，已经成为接 收机系统设计中的核心技术之一。 图1 1 为接收机的基本结构框图。其中，图( a ) 所示结构为低噪声放大器位于 接收天线和预选滤波器后的第一级的情况，此种结构的优点是预选滤波器能够有 效的滤除杂波干扰，避免带外信号进入放大器使接收机发生阻塞现象或烧坏放大 器及其后级电路，缺点是前级滤波器会引入插入损耗加大系统噪声使灵敏度降低。 采用此种结构时要尽量降低前级预选滤波器的插入损耗，一般采用插入损耗较小 的腔体滤波器或介质滤波器。图( b ) 所示结构一般在对系统噪声性能有较高要求时 使用，此种结构消除了因前级预选滤波器插入损耗对噪声性能的恶化，达到了超 低的噪声性能要求。但是采用此种结构经常会在低噪声放大器前级加入限幅器以 保护后级电路避免带外大信号干扰烧毁低噪声放大器与其后级电路。 本地振荡器 ( a ) 本地振荡器 ( b ) 图1 - 1 接收机基本框图 2 第一章绪论 1 2 低噪声放大器的研究现状 近年来，微波通信系统得到了极大的发展，进而导致微波射频电路的性能有 非常大的进步。而各种通信系统中最关键的电路之一就是放大器。由于半导体技 术的发展导致放大器的发展极为迅速。近年来出现了多种使用微波混合集成技术 和单片微波集成技术工艺制作的性能优越的放大器。 在2 0 世纪三十年代以前，通信系统的发展严重受限于器件生产工艺的发展。 到1 9 7 0 至1 9 8 0 年期间，先进的g a a sf e t 和m e s f e t 技术在微波混合集成放大器 和电路中得到应用。 到2 0 世纪8 0 年代，基于硅和g a a s 技术的微波单片集成电路广泛的应用于卫 星通讯、雷达、电子战等设备中。删i c 的体积小、重量轻、可靠性强、可工作在 多倍频程、电路设计灵活方便，并且能够在单片上实现多种功能。在微波工程辅 助设计软件c a d 的帮助下，m m i c 工艺在通信系统的发展中起了重要作用【2 棚。 1 9 9 8 年，b a g a r w a l 等人利用栅长为o 1 肌的i n g a a s i n a i a sh e m tm m i c 工 艺，制作了3 d b 带宽为1 g h z - 1 5 7 g h z 的行波放大器，增益为5 d b 7 。2 0 0 5 年， y u s u k e i n o u e 等人研制出了d c - 9 0 g h z ，增益为2 0 d b 的i n p - h e m t 损耗匹配放大器【8 】。 2 0 0 8 年，电子科技大学的杨光等人利用o 2 5 z m 栅长的g a a sp h e m t 工艺制作了工 作频带为1 8 g h z - 4 0 g h z ，功率增益大于l o d b ，噪声系数小于2 3 d b 的单片低噪声 放大器，其单片尺寸仅为2 5 m m x2 5 啪【9 】。 除砷化镓场效应晶体管( g a a sf e t ) 以外，现在应用较普遍的低噪声晶体管 还有高电子迁移率晶体管( h e m t ) 和异质结双极晶体管( 耶t ) 。这两种管型的低 噪声特性比砷化镓场效应管更适合于低噪声场合的应用。1 9 8 1 年法国t h o m s o n c s f 公司研制成功第一个低噪声高电子迁移率晶体管，在i o g h z 以下，噪声系数为 2 3 d b ，增益为1 0 3 d b 。在此之后的五年里，高电子迁移率晶体管( h e m t ) 已经取 得了显著的进展，成为公认的最适合微波应用的低噪声器件之一。在6 0 g h z 以下， 用g a a s 基的h e m t 器件能够达到的噪声系数为1 7 d b ，而增益为7 6 d b 。i n p h e m t 在1 9 8 7 年问世之后的几年里，噪声性能已经提高到令人惊奇的程度，是目前毫米 波高端应用最好的低噪声器件。在6 0 g h z 以下，i n p - h e m t 噪声系数能够达到 0 9 8 d b ，增益8 6 d b 1 0 1 3 1 。 目前微波宽带低噪声放大器的发展方向主要有两个，一个是发展各类功率半 导体器件如g a a sm e s f e t 、i n p p h e m t 、s i nm e s f e t 、g a nh e m t 等器件，在对新型 的半导体材料及有源器件进行深入研究的基础上，主要侧重于有源器件的工作频 电子科技大学硕士学位论文 率、增益、功率密度、输出功率容量的提高；另一面是各类高效率、高功率、微 波毫米波宽带放大电路的基础理论研究，着重研究高效率、高功率、超宽带放大 电路的拓扑结构，研究扩展放大器带宽、增益带宽积、功率带宽积以及增益、效 率和输出功率等的提高的方法和途径【悼b 】。 随着计算机技术的高度发展，应用于微波电路设计的仿真软件也是层出不穷。 从最初简单的计算功能发展到现在的电路仿真直至最近的电磁场( e m ) 混合仿真 的功能，仿真软件的设计能力也是得到逐步的加强。微波电路仿真软件的推出和 完善，对于在放大器设计中减少人工计算量，提高设计精度，简化设计过程，缩 短产品的研制周期起到了非常重要的作用。有源仿真软件中，以安捷伦公司开发 的a d s 软件功能最为强大，经过实践检验，通过a d s 仿真软件设计出来的低噪声 放大器，经过电路仿真和电磁场混合仿真之后，实际测试结果和仿真结果吻合的 较好，指标令人满意。因此，在计算机技术高度发展的今天，利用a d s 等微波电 路仿真软件进行低噪声放大器等有源器件的研究和开发，可以有效的提高设计精 度，缩短研发周期。 1 3 本论文的主要内容安排 本文首先介绍了宽带低噪声放大器的设计理论基础，讨论了平衡式及负反馈 等各种设计方法和集总参数匹配、分布参数匹配和混合匹配等匹配方法在低噪声 放大器设计中的应用。分别采用混合匹配与分布参数匹配方法设计并制作了 2 o g h z 2 4 g h z 、5 6 m h z - - 一6 8 g h z 低噪声放大器，在设计过程中采用了e m 电磁场 混合仿真，使仿真结果更接近实际电路性能，使放大器的调试更加简单，并对设 计的放大器进行了调试与测试。首次详尽系统的讨论了在放大器的调试过程当中 常出现的较难解决的自激问题的解决方法。 其中，2 o g h z - - 2 4 g h z 限幅低噪声放大器采用三级无源限幅器实现4 0 0 瓦的 脉冲抗烧毁功率，采用源极串联负反馈和级间失配法实现在工作频带内噪声系数 小于1 o d b ，增益大于2 8 d b ，增益平坦度小于0 5 d b ，输入输出驻波比小于1 5 ， 输出l d b 压缩点罡啪为1 6 d b m ；5 6 g h z - - , 6 8 g h z 低噪声放大器采用微带阻抗跳变 线的设计方法在工作频带内实现噪声系数小于1 2 d b ，增益大于4 0 d b ，增益平坦度 小于0 8 d b ，输出p _ 1 d b 为l o d b m ，输入驻波比、输出驻波比小于1 5 。 4 第二章微波低噪声放大器的理论基础 第二章微波低噪声放大器的理论基础 2 1 二端口网络 在射频微波类器件或电路中，有一端口、二端口、三端口和n 端口网络。工 程中最常用的是二端口网络，放大器也是二端口网络。因此，在论文中我们主要 讨论二端口网络。 2 1 1s 参数的定义 s 参数是表达器件各端口的反射与传输关系的物理量，由于表达的是电压波， 因此可以用入射波电压和反射波电压来描述s 参数。 为了准确定义s 参数，我们规定了二端口网络的入射波电压为k + 反射波电压 为k 一( i = l ，2 ) ，如图2 1 所示。 二端口网络 现在可以用s 参数来描述一个二端口网络各端口的入射波电压与反射波电压 之间的线性关系。 巧一= 墨k + + s l ：嘭 ( 2 - 1 ) 巧= 最。巧+ + 迎：吁 ( 2 - 2 ) 或以矩阵形式写成： v 一= s v + ( 2 - 3 ) 其中 队阴 协 电子科技大学硕士学位论文 肚陶 ( 2 - 5 ) s = 陵乏 ， s 参数的定义为： 墨- 2 万r 1 。哼：。一k k ( 2 - 7 ) 墨z2 古i 瞄卸( 2 8 ) 最t2 矿v 2 + i 嘭l o( 2 - 9 ) 2 专b 2 r 。w ( 2 - l o ) 其中，墨。为输出端接匹配负载时输入端电压反射系数，墨：为输入端接匹配负 载时反向电压传输系数，是。为输出端接匹配负载时正向电压传输系数，岛：为输入 端接匹配负载时输出端电压反射系数【1 6 1 。 运用s 参数矩阵描述射频微波频段一端口、二端口及多端口网络有很多不可 比拟的优势： ( 1 ) s 参数给出了一个二端口射频微波网络端口之外的完整的特性描述，这 样我们可以不必知道一个微波器件、电路或系统内部结构如何，只需 要将其看成一个二端口网络，只要知道这个二端口网络的端1 3 特性就 能完整描述这个射频微波器件。 ( 2 ) s 参数的定义没有使用在射频微波频段已经失去意义的开路或短路的 概念。因为随着频率的升高开路或短路情况的阻抗特性已不能用来描 述射频微波频段的器件、电路及系统的特性。另外，电路中如有开路 或短路的情况出现，将导致强烈的反射( 因反射系数lr 。i - - 1 ) ，即引起 振荡或器件损坏。 ( 3 ) s 参数要求端口匹配，因端口匹配可吸收全部的入射功率，从而消除过 强的能量反射对设备、电路或器件的损害。 2 1 2s 参数的物理意义 6 第二章微波低噪声放大器的理论基础 s 参数必须在输入输出端口匹配的条件下才能测定。例如要测量墨。和最。必须 确保输出端口与负载处于匹配状态下，以便达到嘭- 0 的前提条件。 根据反射系数的定义： l = 丽- z = - o ( 2 1 1 ) 我们可以得到： 耻驴翳 ( 2 - 1 2 ) 由此可得到回波损耗： r l = 一1 0 l o g ( 子) 一2 0 l 0 8 f 肼- - 一2 0 l o ds i i ( 2 - 1 3 ) 同理，令输入端口匹配时可得： s 2 2 - - - f o u l = 瓦z o o t 瓦- z 0 ( 2 - 14 ) 令端口2 匹配，可知是。为正向电压增益，i 是，1 2 为正向功率增益。同理，令端 口1 匹配可知墨：为反向电压增益，i 墨：1 2 为反向功率增益。 2 2 放大器的稳定性 稳定性是射频微波l n a 设计所必须考虑的，其主要表现是对放大器振荡的抑 制，射频微波电路必须满足绝对稳定的情况【1 7 1 。为了方便描述放大器的稳定性， 现定义如下几个参量。 k = 一 陋均 b 。= 1 + l s 。1 2 一i s ：1 2 一i 1 2 ( 2 - 1 6 ) a = 墨l s n 一墨2 是l ( 2 1 7 ) 基于以上定义，某一放大器绝对稳定的条件有如下几种： a ) 三参量检测准则： k 1 h 1 2 1 ( 2 2 4 ) d ) 以上三种检验准则均只能够检验一个放大器是否稳定，但是均不能比较两 个放大器的稳定性的高低，因此在实际工程应用中就会受到限制，下面介 绍一种结合了k 、两个参量的单参量检验准则，也称为“参量检验准 则 ，参量检验准则只有一个参量，应用非常方便【1 引。而且其不仅能够 检验一个放大器是否稳定，而且可以判断两个放大器或系统的稳定性的高 低。参量定义为： = 际丽l _ s l l 2 ( 2 彩) 2 医币而 2 。2 5 对于绝对稳定情形，只需满足： 1 ( 2 - 2 6 ) 若器件a 与器件b 的稳定因子心，几满足： 敝 尥( 2 2 7 ) 则，器件a 比器件b 稳定。 我们在实际放大器设计中也常采用因子来优化放大电路，因子就是在 a d s 仿真软件中的m 。( s ) 参i t ，在放大器的仿真设计中应尽量使( m 。( s ) ) 值大 一些，以获得较大的稳定性。 2 3 放大器的噪声系数 2 3 1 等效噪声温度的定义 一般来讲，何种噪声均可在其频域范围内绘制其功率谱。但是如果噪声功率 谱不是频率的函数( 如白噪声) ，即在频带范围内变化否大，则其可用一个具有相 8 第二章微波低噪声放大器的理论基础 同“等效噪声温度互 特性的热噪声源来等效。 为了定义等效噪声温度互，我们考虑一个任意的白噪声源，其额定功率为只， 无噪声源电阻为足，如图2 - 2 所示，该白噪声源可用具有如下噪声温度的噪声电阻 来代替，如图2 3 所示。 r n 晤 图2 - 2 任意噪声源 图2 - 3 等效噪声电阻 由此，可表示出此白噪声的等效噪声温度为： d z 。盖( 2 - 2 8 ) 其中，k 为波尔兹曼常数，b 为系统或器件的带宽。对放大器而言，z 即为放 大器输入端的等效噪声温度。 2 3 2 噪声系数 放大器的噪声性能可以用等效噪声温度( z ) 来描述，但我们在实际中用来 表征放大器的噪声性能的参数是噪声系数。 9 电子科技大学硕士学位论文 a ) 噪声系数f 定义为：噪声系数为在标准室温下( 瓦= 2 9 0 k ) ，设仅由输入 电阻尺在输出端产生的热噪声功率为( 只) ；，则放大器的噪声系数便是指输出端总 的噪声功率( ) 雠与由输入端电阻产生的热噪声功率( 只) ；的比值。 为了得到放大器的噪声系数f 的方程，我们可以将一个噪声温度为z 的有噪 声的放大器( 如图2 - 4 所示) 等效为一个理想的无噪声放大器的输入端接一热噪声 电阻尺，如图2 5 所示。 图2 4 噪声放大器 由此可以得到： 图2 5 等效电路 = q k 互曰 露- k t o b ( 只l = c 4 k r o s ( p o l = 民= + ( 只) i l o r l ( 2 - 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) ( 2 3 2 ) 第二章微波低噪声放大器的理论基础 p 簖= 警c p o ) 小去 ( 只) ii( 只) i 、 f = 1 + ( 2 3 4 ) m 其中，为放大器的等效噪声电阻在输出端产生的噪声功率，霉为e g i 沮r 的 噪声功率，( 只) 。为噪声电阻产生的噪声在放大器输出端产生的噪声功率，( 只) 雠为 输出端总的噪声功率，z 为放大器的噪声温度，毛为标准室温。 若以d b 为单位，噪声系数表示为： f = 1 0 1 0 9 i o ( 1 + 予) ( 2 3 5 ) 由上式，噪声系数的范围为： 1 f ( 2 - 3 6 ) 由此可见，噪声系数最小值为1 ，为最佳状态，代表一个理想的无噪声系统的 噪声系数。 b ) 噪声系数的另一定义 由式( 2 3 3 ) ，我们可以得到： p 兹( 2 - 3 7 ) ( 只) ；= q ( 2 3 8 ) 其中g 。为额定功率增益，其定义为： g 一2 詈 ( 2 - 3 9 ) 其中，b ；为放大器输入端的额定信号功率，忍。为输出端的额定功率，r ；为 放大器输入端额定噪声功率，晶。为放大器输出端额定噪声功率。所以，式( 2 3 7 ) 可以写为： f = 丝：塑堕 ( 2 4 0 1 圪最。( s n r ) 。 、 上式中，( s n r ) ；( s n r ) 。分别为电路或系统的输入端和输出端的信噪比。 由上式可以看出，放大器的噪声系数为描述放大器的输出端信噪比性能比输 入端的恶化程度的概念，其定义为输入端信噪比比输出端信噪比【1 9 1 。此定义可以 电子科技大学硕士学位论文 直观的表明系统内部噪声造成信噪比的恶化的程度，因此在实际设计中较常使用。 如果采用最佳噪声源阻抗来定义放大器的噪声系数则和明显可以看出放大器 要获得低噪声的条件，其定义为： 肌叫象尚格 2 ， 其中，瓦诅为器件最小噪声系数，r 。为固有噪声阻抗，z o 为系统特性阻抗。 因此，若源端阻抗l 匹配到最佳噪声源阻抗r 啊，则低噪声放大器将得到最小的 噪声系数峨2 0 1 。 2 3 3 级联放大器的噪声系数 对于n 级放大电路组成的系统，如果第i 级的增益为g j ( i = 1 ，2 ) ，噪声系数 为嘲( i = 1 ，2 ) ，如图2 - 6 所示。可以得到系统总的噪声系数n f 与各级噪声系数 嬲之间的关系为： r l 图2 - 6 级联系统噪声 胛：u v , + _ n f _ 2 - i + n 门f 3 门- 1 + ( 2 - 4 3 ) g jg l g 由上式可以看出，决定电路噪声的主要是第一级放大电路，后级噪声对系统的 影响依次减小。因此对多级低噪声放大器设计中匹配结构的噪声优化主要取决于 前级放大器【2 1 彩】。 2 3 4 噪声量度 虽然平时较常使用的描述放大器噪声性能的参数是噪声系数，但是在一个接 收机系统中，低噪声放大器对整机噪声性能的影响更准确的描述应该是用噪声量 度来描述放大器噪声对系统的影响。噪声量度由噪声系数和增益共同来决定，其 1 2 第二章微波低噪声放大器的理论基础 定义为： 膨= 西n f 万- 1 ( 2 一卿 l l g 、。 此处的n f 和g 为低噪声放大器的噪声系数和增益，此处均为实际数值而非分 贝量。噪声量度是一个很有用的参数，因为它把噪声系数和增益的作用结合在一 起来形成一个单一的参数来描述前级低噪声放大器对整个接收系统噪声系数的抑 制能力【2 4 - 2 6 。 2 4 放大器的增益及增益平坦度 增益为放大器的重要指标，放大器功率增益有多种定义，有源端共轭匹配状 态下的转换功率增益q 、源端和负载端均匹配的状态下的资用功率增益q 以及电 路的实际功率增益g p 等【”- 2 s 。 q = 笋( 2 - 4 5 ) q=手(2-46) g a = f - a 婚t ( 2 - 4 7 ) 其中焉为晶体管或匹配网络输入功率，置为负载所获得的功率或匹配网络的 输出功率，e 坯为源端匹配状态下的源端资用功率，只刚为匹配状态下的负载所或 得的资用功率。现给出结果如下： q = 品阮1 2 器= 盟i i - s , , r , i 阮1 2 器 8 ) q = 而1 慨1 2 爵 ( 2 4 9 ) q = 瓦a 喊- r b s l l _ i 蚶i 志 ( 2 _ 5 。) 方程( 2 4 8 ) 可以改写为： q = g s g o 。q ( 2 5 1 ) 其中 电子科技大学硕士学位论文 g = 岛 g o = s 2 。1 2 ( 2 5 3 ) q = 器 亿5 q 此处可将g o 视为晶体管本身的增益，而g 、q 可以视为由放大器的匹配电路 使增益增加的部分。 对于实际的放大器而言，功率增益通常指的是信源及负载均接5 0 欧姆标准阻 抗情况下实际测得的增益，为实际功率增益。如果将整个放大器作为二端口网络 则采用s 矩阵表示的增益的表达式为： g 刊s 2 。1 2( 2 - 5 5 ) 对数表示形式为： g ( d b ) = 1 0 l o g g = 2 0 l o g ( i 是i1 ) ( 2 - 5 6 ) 增益平坦度是指放大器在工作频段内增益波动也叫带内纹波，常用频带内最 高增益与最低增益之差来表示，如图2 7 所示，用公式来表示为： 吼帕= 吒一吒 ( 2 5 7 ) 图2 7 放大器的增益平坦度表示图 在多级低噪声放大器的设计中，前级电路应注重噪声，后级电路注重增益及其 平坦度要求。当要求带宽达到倍频程甚至是十倍频程时，仅仅基于匹配网络的增益 补偿是不够的，此时可以采用负反馈技术。采用负反馈的方法设计的放大器带宽可 1 4 第二章微波低噪声放大器的理论基础 以非帚即苋，r t i 且增盆父化很小，但妥牺牲一鄙分阴噪户不u 瑁盈o 2 5 放大器的输入输出驻波比 放大器的输入输出反射系数表征着放大器在输入输出处信号的反射损耗，通 常用输入输出驻波比来表示，将低噪声放大器看成标准两端1 5 1 网络则： v s r v 民= 剁 v s w r 毗= 剽 其中f 加和r 叫分别为输入反射系数和输出反射系数。 i r 抽| = l 每l = ( 每) c 2 - 6 。， l r o 小卧 协6 ， 由式( 2 6 0 ) 、( 2 6 1 ) 可得： i r z 1 = 丽v s w r f , , - 1 ( 2 - 6 2 ) u 2 而v s w r o f - 1 ( 2 - 6 3 ) 由此可以得到任意一个放大器输入或输出端e l 的入射功率和反射功率的比值 以分贝表示为： ( 2 6 4 ) ( 2 6 5 ) 石= 磁- 2 0 l o g 。iv 坯s w 巩r _ f 一+ i 1 ) q 一6 6 ， 1 5 n】n叫u i “ 一一一 堕哦 监呱 脚一脚 飚一坯 = = 爵一焉 一艺 电子科技大学硕士学位论文 名= 艺- 2 0 l o g c 群) 仁6 乃 其中，石、焉为输入端反射功率和入射功率，乇、艺为输出端反射功率和 入射功率。由以上关系可以很好的得到反射功率入射功率与驻波比的关系，为调 试中驻波比的确定提供了一个很便捷的测试方法。 如果放大器昭耽、v s w r , 过大不仅有可能损坏与放大器级联的电路而且还 会使系统的增益平坦度和群时延性能变坏，因此低噪声放大器的晒矽毪、坯明 应该满足一定的条件，对普通用途的低噪声放大器输入、输出驻波比v s r r l 墨、 v s w r o 珊一般设置为2 ：1 ，在对驻波有较高要求的应用中可设置为1 5 ：1 ，在大容量数 字通信系统中，低噪声放大器的输入、输出驻波比应选取为1 2 ：l 。一般来讲对于 功率放大器的输入、输出驻波比可以取到2 ：l ，在必要时还要设置驻波保护电路以 防止放大器因驻波过大而损坏【2 9 1 。 2 6 放大器的带宽 放大器的工作频率及带宽是指其在频域上的工作范围，在此范围内其各项指 标要满足要求，如功率增益、增益平坦度、噪声系数等。通常人们用相对带宽的 概念来描述放大器的带宽大小，相对带宽： 胛= 孚 图2 - 8 放大器的频域特性 对于放大器来说，相对带宽小于1 0 的称为窄带放大器，大于3 0 称为宽带 放大器。带宽与增益和噪声系数存在矛盾，当带宽过宽时就很难获得较低的噪声 系数。因此低噪声放大器的相对带宽一般都选为2 0 左右【圳。 1 6 第二章微波低噪声放大器的理论基础 对于分布参数匹配网络可用品质因数来估算带宽，若匹配网络的有载品质因 数为幺，匹配元件的空载品质因数为q n ，放大器的带宽为b w ，则两者的关系为： 曰肚q r o = g f o q n f o ( 2 - 6 9 ) q 丝q n 、。 1 l 我们可以通过增加匹配元件的品质因数来提高放大器的频率特性，如图2 - 9 ， 图中q 值为l ，要使放大器的带宽尽可能的宽，就需要在q 图内部进行，因此要采 用万形匹配方式如图2 1 0 所示，此匹配结构的频率响应如图2 1 1 所示。 1 一、 辫銮， 。、t 二 l o a d o s o u r c e 图2 - 9q 图在匹配设计中应用 1 7 电子科技大学硕士学位论文 就p 回 _ 口 臣巫亘亟西亟巫习e = 匿亟巫三二 z 。- 5 0o v d 2 06 6 9 “i x 四王里_ j w m 图2 一l o o 图中的z 形匹配结构 嚣嚣霸瑶霹 i 妄露瑶耋目王壬洼拦击墨 匿芝量量要i 至扫三三晕! 擘攀鐾臻鞋孽 j 善鐾誊i 莹! 一 z 蜘i 二戈= ：二： = i 伍一= 国2 - 1 1q 图中匹配结构的频率响应 27 放大器的非线性 当一个放大器的输出功率随输入功率的增加而线性增加时称为线性放大器， 两个功率的差值就是放大器的功率增益。但是由于放大器的非线性特性，随着输 入功童的增加，放大器的功率增益变成非线性特性，即随着输入信号功率的增加， 输出功率的增加幅度不再与输入信号的增加幅度相等而是低于输入信号的增加 值，放大器的这种特性使得被放大的信号产生压缩畸变，增益下降到比线性增益 低i d b 时的输出功率称为输出l d b 压缩点( d ，p ) 。 对于非线性放大器柬说，各频谱分量之问将产生各种组合频率分量，即产生 谐波和互调干扰信号。由于放大器产生的各次谐波和互调分量大都离有用信号较 远可以方便的用滤波器来滤除，仅有三阶互调离有用信号较近难以滤除，因此我 晷。 jj =；1 第二章微波低噪声放大器的理论基础 们一般比较关心三阶互调分量，如两个频率分别为铂和哆的信号同时加到输入端 ( 如图2 1 2 ) ，在输出端的2 劬嚷和2 织奶频率成分即为三阶互调分量( 如图 2 1 3 ) 。由图2 1 3 可以看出，三阶互调中2 一红和2 锡一铂与信号频率相近，在接 收机机系统中较难用滤波器来滤除，除非使用像声表面波滤波器之类的矩形系数 非常好的滤波器来滤除，但又会大幅增加成本并加大插损。所以放大器中最关心 的互调分量是三阶互调分量。 图2 1 2 输入双音信号 筮托蠲噶警甥硫， 图2 1 3 输出谐波互调分量 1 9 电子科技大学硕士学位论文 通常用三阶互调系数来描述一个非线性放大器的线性性能。三阶互调系数的 定义为：若有两个频率相差不多的双音信号加到放大器输入端，角频率分别为劬、 皱，那么输出三阶互调分量的功率与铂或蜴的输出功率之差即称为三阶互调系 数，单位为扭c 。另外也可以用三阶互调截点o 职来描述放大器的线性性能，根 据工程经验可以知道o 皿一般比输出l d b 压缩点高1 5 d b 左右【3 1 】。放大器的非线 性特性如图2 1 4 所示。 图2 1 4 放大器的非线性 有时在高线性的要求时，如接收机动态范围要求非常高而又采用线性调制时 增益不宜设计过高，有时也可采用自动增益控制，在两级低噪声放大器之间加入 一级压控衰减器来提高线性度等设计方法。 第三章2 0 2 4 g h z 限幅低噪声放大器设计 第三章2 o g h z 一2 4 g h z 限幅低噪声放大器设计 3 1 指标要求 低噪声放大器的主要性能指标包括：增益、噪声系数、工作频段、增益平坦 度、输入输出口驻波比等，在这些指标之中噪声系数和增益对系统性能的影响较 大。本低噪声限幅放大器为某跳频接收机射频前端，所需指标如下： 工作频段：2 0 g h z 2 4 g h z 噪声系数：n f 1 0d b 功率增益：g 2 8 d b 增益平坦度：陋o 5 d b 输入和输出驻波比：v s w r 1 5 d b m 输出三阶截点：0 1 p 3 3 0 d b m 脉冲抗烧毁功率： 4 0 0 w l 3 2 限幅器设计 微波限幅器作为一种重要的微波控制器件被广泛应用在雷达接收机等系统 中，常用于保护接收机中后级低噪声放大器、混频器、模数转换器等敏感器件， 避免这些器件被工作频带之外的大信号烧毁。限幅器分为有源限幅器和无源限幅 器两类，一般有源限幅器常在低频模拟电路中应用，而无源限幅器由于优秀的射 频限幅性能和在射频微波段具有低回波损耗低插入损耗等优秀性能而在微波频段 广泛采用。 3 2 1 限幅器原理 微波p i n 二极管限幅器是应用的二极管的开关特性来起到限幅作用的，p i n 二极管的结构如图3 1 所示。p i n 二极管在高掺杂的p 区和n 区之间加入一个很 薄的本征半导体层i 层。由于电子和空穴对的越结扩散在p i n 二极管的p i 结和 n i 结形成空间电荷区。当正偏时载流子进入本征层并穿越很薄的空间电荷区，进 而由于载流子的扩散使本征层的空间电荷区变薄电阻率降低，并且j 下偏压越高电 阻率越小，因而正偏时呈短路状态。当反偏时，由于反向电场的作用使空间电荷 2 1 电子科技大学硕士学位论文 区变宽，进而使本征层电阻增大，p i n 二极管反偏时呈现开路特性【3 2 1 。p i n 二极管 正反偏时等效电路模型如图3 2 所示( 图( a ) 为反偏状态，图( b ) 为正偏状态) 。 采用p i n 二极管的开关现象可以制作无源自激励限幅器。首先将p i n 二极管 并联接入射频输入口，两端不加任何电压。当输入小信号时二极管呈大电阻状态， 此时信号可以顺利的通过，而只有一个很小的插损。当有高功率的射频信号输入 限幅器时，在射频信号的正半周时信号流入一支p i n 二极管的p 区，而当射频信 号反向时流入另一支反向的二极管的n 区，输入限幅器的射频大信号大部分被旁 路掉，这样限幅器对通过p i n 二极管的射频大信号有较高的衰减从而避免后级电 路结构被大信号烧坏，而只允许一小部分称之为“泄漏功率 的信号通过，这样 就达到了限幅的效果。利用p i n 二极管这一特性可制作微波无源限幅器，并且有 利于制作大功率微波限幅驯3 3 】。 在p i n 二极管的正反偏模型中可以看到有一个电容c ，此电容为p i n 二极管 的封装引入的寄生电容，由于此寄生电容的影响使得此结构的限幅器有一个很小 的插损。要降低插损可以采用二极管管芯设计。 i n i l pi l l 6c 图3 1p i n 二极管结构图 q ( a ) 反偏状态 c p 嘞正偏状态 图3 - 2p i n