（通信与信息系统专业论文）高温超导滤波器与低温低噪声放大器的研究.pdf

摘要 摘要 本文对高温超导滤波器和低温低噪声放大器作了一些研究研制工作。 在高温超导滤波器方面，本文对高温超导滤波器的原理和一些设计方法进 行了研究，重点论述了基于耦合谐振器滤波器理论的仿真设计方法；对高温超 导滤波器的制作工艺进行了研究，并重点论述了光刻、封装焊接等关键工艺； 此外，本文给出了一个高温超导滤波器的设计实例，并给出了一个六阶高温超 导滤波器的研制实例，该滤波器的中心频率为1 9 4 5m h z ，带宽为1 0m h z ，采 用l a a l 0 3 衬底铊系薄膜制作而成，该滤波器的实测插入损耗小于o 2d b ，测试 指标与设计指标吻合很好。 在低温低噪声放大器方面，本文对低温低噪声放大器的技术指标、参数以 及设计方法进行了研究，并给出了一个设计实例，该低温低噪声放大器的设计 带宽为1 7 9 0m h z 至1 9 2 0m h z ，增益大于2 0d b ，噪声系数小于0 5d b ，采用 a t f 3 4 1 4 3 管子设计而成，设计结果满足指标要求。 关键词：超导滤波器低噪放噪声增益 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e s i sm a k e sas e r i e so fr e s e a r c hi nt l l ef i e l d so fh i g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i n g ( h t s ) f i l t e r sa n da n dc r y o g 咖cl o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) t h et h e s i si n v o l v e ss o m er e s e a r c hi nt h e t h e o r e t i c sa n dd e s i g n i n gm e t h o do f h t sf i l t e r s ，a n dm a k e se x t e n s i v er e s e a r c hi nt h ed e s i g n i n gt e c h n i q u eb a s e do nt h e t h e o r yo fc o u p l e d r e s o n a t o r sf i l t e r s b e s i d e s ，t h et h e s i sp r e s e n t sam a t u r ep r o c e e d i n g t e c h n o l o g yi nt h er e s p e c to ff a b r i c a t i o na n dm a n u f a c t u r eo fh t sf i l t e r s ，e s p e c i a l l yi n t h ef i e l d so f l i t h o g r a p h y , i o ne t c h i n g ，a n dw e l d i n g f u r t h e r m o r e ，t h ea r t i c l ep r e s e n t sa s p e c i f i ce x a m p l e t h eh t sf i l t e rh a sab a n d w i t ho f10m h zc e n t e r e da t19 4 5m h z i t w a sf a b r i c a t e db yt l 2 212f i l m sw h i c hd o u b l e - c o a t e do nl a a l 0 3w a f e r t h e i n s e r t i o nl o s so ft h eh t sf i l t e ri sl e s st h a no 2 d ba n dt h eo t h e rm e a s u r e dp e r f o r m a n c e s h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht h es i m u l a t e do n e f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i si n v o l v e ss o m er e s e a r c hi nt h et h e o r e t i c s ，q u a l i f i c a t i o n ， a n dd e s i g n i n gm e t h o do fc r y o g e n i cl n a o n ed e s i g n e de x a m p l ei sp r e s e n t e di nt h e t h e s i s t h ed e s i g n e dl n ah a sap a s s b a n dw i t h i n17 9 0m h zt o19 2 01 v i n za n dh a sa g a i no f2 0d b t h en o i s ef i g u r ei sl e s st h a n0 5d b t h el n a i sd e s i g n e db yt h e t r a n s i s t o ro f a t f 3 4 14 3 t h ed e s i g n e dr e s u l t sm e e tt h ee x p e c t e dv a l u ev e r yw e l l k e yw o r d s ：h t s ，f i l t e r , l n a ，n o i s ef i g u r e ，g a i n i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名：易牛棚 谚年岁月2 严日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：；筇厕 加p 3 年f 月邓日 第一章前言 第一章前言 1 9 1 1 年，荷兰莱顿大学的h k a m e r l i n g h - o n n e s 发现将汞冷却到4 2 k 时，汞 的电阻突然消失，这种现象被称为超导现象。超导体电阻突然变为零的温度叫 超导临界温度( t c ) 。超导体具有零电阻和完全抗磁性( m e i s s n e re f i e e t ) 等不同 于常规导体的特性。1 9 5 7 年，美国i l l i n o i s 大学的j b a r d e e n ( 巴丁) ，l n c o o p e r ( 库珀) 和j r s c h r i e f f e r ( 施里弗) 联合提出的微观理论成功地解释了超导现 象，简称b c s 理论i l j 。 自从发现超导现象以来，各国科学家对其进行了持续的研究。1 9 8 6 年1 月， i b m 公司苏黎世实验室的g e o r g eb e d n o r 和a l e xm u l l e r 发现一种新的陶瓷超导 体，这是一种钡、镧和铜的氧化物，其t c 达到3 0k 以上。1 9 8 7 年世界各地的 研究小组都发现了一种新的超导体y b a c u o ，其t c 在9 0 k 以上。1 9 8 7 年底，铊 系材料t 1 b a c a c u o 又把超导临界温度的记录提高到1 2 5k 。随后的几年，高温 超导临界温度迅速提高，已达1 6 0k 【2 】。高温超导体的最根本的特点是它的临界 温度超过液氮温度7 7k ，这一突破大大降低了其所要的制冷设备的质量、体积 和费用，极大的推动了超导体和超导应用研究的快速发展。 高温超导滤波器在目前来说是最有前途的应用之一，在国外已经广泛的应 用在雷达 3 1 、预警机、导弹、移动通信基站等系统_ 1 z t 4 。因为为高温超导材料处 于超导态时，在微波频段内，一般具有非常低的表面电阻和很高的q 值【5 j ，因 此h t s 薄膜制成滤波器，过渡带将非常陡峭，矩形系数也比较理想，带内插入 损耗非常低，能b 很z 好地抑制干扰，其性能是常规材料滤波器无法比拟鲥6 | 。 由于超导滤波器需要工作在较低低温度下( 液氮温度) 而低噪声放大器 ( l n a ) 在低温下具有更小的噪声系数，因此，如果把l n a 也放入到低温环境 中，那么其与超导滤波器所构成的接收机前端子系统在具有非常强抗干扰能力 的同时获得非常高的灵敏度【7 儿8 1 。 但是，由于晶体管的s 参数特性在低温下将发生较大的改变，因此常温下 研制的l n a 在低温下其性能将发生较大的变化，以至无法正常工作，所以需要 研制工作于低温环境下专用低噪声放大器，简称低温低噪声放大器。 本文对高温超导滤波器和低温低噪声放大器进行了研究研制工作：在高温 超导滤波器方面，本文对其原理和设计方法以及制作工艺进行了研究，并重点 第一章前言 研究了基于耦合谐振器滤波器理论的设计方法。本文给出了一个6 阶超导滤波 器的研制实例和一个8 阶超导滤波器的设计实例；在低温低噪声放大器方面， 我们系统研究了低噪声放大器的设计理论和设计方法，并设计了实用于l s 波段 某系统的低温低噪声放大器。 第二章超导滤波器的相关理论和设计方法 第二章超导滤波器的相关理论和设计方法 第一节表面电阻 超导滤波器的性能优势主要体现在其具有很低的表面电阻率，从而可具有 非常高的q 值，本节对与超导滤波器的最密切相关的超导材料参数一表面电阻 作简要研究。 表面阻抗为当一个平面波垂直入射到一平直的导体表面的特性阻抗。对于 电导率为仃的的常规金属导体，例如银、金或铜，其表面阻抗可由麦克斯韦方程 导出： z s = r s + j x s = 舡国盯= ( 1 + ) 缈( 2 0 - ) ( 2 1 ) 对于常规金属，盯为实数。由式( 2 1 ) 可知，其表面电阻r s 和表面电抗x s 是相等的。 对于超导体，仃为复数。基于二流体模型，存在有两种电流，即电流体密 度为以的超导电流和电流体密度为，。的常规电流。相应地电导率仃也应该有两 个分量吒和盯。，分别与超导载流子和常规载流子相关，且有仃= g + 吒。 根据伦敦第一方程，对于频率为缈的正弦电流，得： 一 1 一一 以= l _ e = o s e ( 2 2 ) j 、 将伦敦常数人：；代入式( 2 2 ) ，用见，表示伦敦穿透深度可得： 刀e 。 盯。：1 ：土 ( 2 3 ) 铲一j c o a2 而死 乙3 可以看出吒为一纯虚数，对超导体的损耗没有贡献。 对于常规载流子，设q 。为常规载流子的电荷；吃为其平均速度。则电流密 度定义为： 五= ，z 。g 。吒 ( 2 4 ) 由牛顿定律可知： 第二章超导滤波器的相关理论和设计方法 有： 为： m 。 鲁+ 争g 。雷 ( 2 5 ) 式中f 为驰豫时间。将式( 2 4 ) 代入式( 2 5 ) ，对于频率为国的正弦电流来说， 歹。= 旧去嘞。雷 ， 式中吒定义为常规电流的复数电导率。因此，超导体的总电导率仃可表示 o 2 o n 七gs = 譬 南一 譬 南一蕊1 亿7 ， 在微波频率下，彩f 1 ) 为两个有限频率的传输零点。由于传输零点的引入使 得滤波器的陡峭度进一步的提高，一般通过两个不相邻谐振器之间引入交叉耦 合( c r o s sc o u p l i n g ) 来实现滤波器的传输零点。 第三节基于耦合谐振器理论的滤波器设计方法 2 3 1 耦合谐振器滤波器的原理 高温超导滤波器几乎全部是基于耦合谐振器结构的【1 3 1 ，图2 1 ( a ) 是n 阶耦合 更词q 图2 1 ( a ) n 阶耦合谐振器滤波器的原理图，( b ) 两端口网络形式 6 第二章超导滤波器的相关理论和设计方法 谐振器滤波器的原理图，图2 1 c o ) 为其二端口网络形式。 假设电路中所有谐振器的谐振频率为= 1 历，c u = 代表谐振器之 间的耦合电容，且c l = c 2 = g = c ，l l = l 2 = 厶= 三。 依据k i r c h h o f f 电流定理可得： l g l + 归c l + _ -啦c n 歹l l 扣c 2 t 歹崛+ 壶 ； 扣c , 1珈q 2q + 拍g + 【耀- i v 卜 瑶 对导纲矩阵 y 】归一化得： 陟 = 播 定义电容耦合系数、外部q 值以及低通频率分别为： 峥南一， q e i - - 等，聆 p = 南b i ( 0 0 对耦合系数和外部q 值归一化： 。鲐2 q f 船形f = 1 ，甩 m i ，咒一= o 1 1 f b w 7 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 第二章超导滤波器的相关理论和设计方法 依据s 矩阵a 和b 的定义可得： 铲击 口2 = 0 包= 厢一击 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) b 2 = v 疗g n ( 2 2 7 ) 因此求得s 参数为： = 器陟e = 茄防f 一1 ( 2 2 9 ) 简化可得： s 2 ，= 喜防e ( 2 3 0 ) g p l g 鲫 s l 。= 三防e 一1 ( 2 3 1 ) q p l 式中防r 1 代表陟】的逆矩阵。e 1 代表逆矩阵防r 1 中第f 行和第歹列的元 素。 同理，可以推出耦合谐振器滤波器的归一化阻抗矩阵具有相同的形式。因 此s 参数可以表示为统一的形式： 8 - 第二章超导滤波器的相关理论和设计方法 ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 其中，【a - - k 】+ p 妙】一a m ，妙】为n 阶单位矩阵，【g 】为除了g - - 1 q p ，和 q 甩竹- - - 1 q 朗以外其他元素都为0 的矩阵。k 】便是归一化耦合系数矩阵。 2 3 2 提取耦合系数1 4 1 耦合谐振器滤波器是由多个谐振器，通过谐振器之间的电磁场耦合而组成 的，谐振器之间的耦合通常用耦合系数来定义。两个相邻谐振器之间的耦合系 数k 定义为两谐振器电磁场耦合能量与存储能量的比值： 七：丝丝二一+ 丝丝尘 肛咖肛谢咖跏咖胁附咖 ( 2 。3 4 ) 其中e 和h 分别为两个谐振器的电场和磁场。 通常谐振器之间的耦合有电场耦合、磁场耦合和混合耦合( 既有电场耦合 又有磁场耦合) 三种耦合方式之分。本文仅仅讨论磁场耦合模式，其他两种耦 合情况的性质特点可以类比得出。图2 2 给出了磁场耦合模式的等效电路： 图2 2 磁场耦合的等效电路 9 志扣 第二章超导滤波器的相关理论和设计方法 根据等效电路模型，我们可以得到了在t l 和t 2 参考面下的耦合方程： v2 j l l l + j l r r d 2 v 22 j l l 2 + j l m i l 图2 2 变形可得到如图2 3 中的形式： t 1 z ” r z 控 一卜y 帆l n n l 。f r n 一 r r m 叫卜 c； l 一kl，j l - ll c 下u z , 2 a , ，这里t 为衬底基片的厚度，旯为自由空间 r 的波长，而占，是衬底的相对介电常数。一个具有高介电常数的厚衬底在较低频 率上激励表面波传播的机会更大。 衬底模式是在衬底里面发生的谐振模式。谐振频率由衬底的尺寸和介电常 数以及在它上面的微带电路图来确定。因为谐振频率与介电常数平方根的倒数 近似为正比的关系，在较低频率下高介电常数的衬底基片存在更多的谐振。高 温超导带通滤波器需要在带外有很大的衰减，衬底模式的激发提供了一个从输 入到输出泄漏路径，因此是特别有害的。 我们在设计金属屏蔽盒时，要详细考虑上面的因素，来确定盒腔的尺寸。对 于盒腔可以看作是一个部分填充介质的矩形谐振腔，这里可以利用3 d 全波电磁 场仿真软件对金属屏蔽盒进行建模，通过仿真运算得到盒腔的谐振频率。我们要 求盒腔的谐振频率要远大于滤波器的工作频率。 3 3 2 封装与焊接【1 7 】【1 8 】 在进行滤波器封装之前，为了能够减小封装损耗，需要在金属屏蔽盒内壁 镀金，这里采用磁控溅射的方式在屏蔽盒内壁溅金，溅金厚度在4 0 0 0 a 左右。 镀金后就要进行滤波器的封装，封装的过程主要包括滤波器端口与s m a 接 头的焊接以及滤波器底面与盒子底面的焊接工作。目前并没有针对高温超导电 路的专门焊剂，而普通焊剂的去氧作用可能会使高温超导薄膜表面退化，造成 高的表面电阻。这样，金属接点的表面清洁度就非常的重要。所以在进行焊接 之前，需要用乙醇或丙酮溶液对滤波器端口和底面进行清洁。 在焊接过程中，如果利用电烙铁直接进行焊接，由于温度过高，可能会损 坏超导薄膜，而且在焊接底面时，利用电烙铁会使底面受热不均匀造成基片断 裂，所以我们采用铟逐步加热使其熔化的方式进行焊接。对底面的焊接一定要 让铟均匀的铺满整个底面，对端口焊接过程中，在保证牢固的前提下，焊点要 小于滤波器端口的宽度而且不能为尖刺状。 3 3 3 高温超导滤波器测试系统的建立 1 6 第三章超导滤波器制作工艺研究 在微波频率下，线性多端口网络的特性通常用一组反射和传输系数，也就 散射参数来描述。借助于矢量网络分析仪这样的现代化的测量仪器，可以很容 易地测量这些s 参数。 校正参考平面_ - _ + 一 图3 1 高温超导滤波器测试系统 利用矢量网络分析仪可以直接测量二端口器件的所有四个s 参数的幅频和 相频特性。另外，为了只测量高温超导滤波器的特性，而不考虑连接线带来的 损耗，在进行测试之前需要进行校准。 我们在测量过程中，是将被测器件放入液氮中冷却，在操作过程中务必要 防止液氮进入屏蔽盒与里面的超导薄膜接触，这是因为进入盒腔的液氮会将基 片底面超导薄膜与它上面的金膜突然冷却，由于超导薄膜与金膜膨胀系数有所 差异，可能会使金膜断裂与超导膜混合在一起，从而使得损耗加大，q 值降低。 1 7 第四章超导滤波器的研制实例 第四章超导滤波器的研制实例 第一节概述 本章中，我们给出了研制超导滤波器的两个实例，第一个滤波器的带宽为 1 0m h z ，主要是针对于第三代移动通信w c d m a 系统的应用而设计的。该滤波 器采用基于耦合谐振器滤波器理论的设计方法仿真设计的，并采用l a a 1 0 3 衬底 铊系双面超导薄膜制作而成。第二个滤波器的阶数为8 阶，该滤波器采用一种 新颖的单端口群时延设计法，仿真设计结果与理论结果吻合很好。 第二节研制六阶超导滤波器 4 2 1 指标与参数 滤波器的指标要求： 中心频率： 带宽： 回波损耗： 插入损耗： 1 9 4 5m h z 1 0m h z 一1 5d b ( a ) l i la sli ni i a d e n 图4 2 谐振器间距与耦合系数关系图 2 0 ( b ) 肼 腑 | i - 一 舢 登盥系数k 第四章超导滤波器的研制实例 根据前面计算得到的k 值，我们可以查到对应的各谐振器之间的间距的大 小。 由于高温超导滤波器的谐振器很窄，间距也很小，使得不相邻谐振器之间 会有寄生耦合，这种耦合很难控制，也不便于计算，因此按照理论值计算得到 的间距由于寄生耦合的影响会使得它实际的耦合系数并不等于理论的计算值。 这就要求确定了谐振器间距和端口位置后，滤波器设计还需要进一步的微调。 微调的过程实际就是微调每一阶谐振器的中心频率及谐振器间的耦合间距来反 复优化以达到设计要求，图4 3 给出了最终的高温超导滤波器版图。 图4 3 六阶高温超导微带滤波器最终版图 滤波器最终的仿真曲线如图4 4 所示。由图4 4 可知，滤波器在通带内s l l 的幅度已经达到了一2 0d b 以下，带宽为1 0 2m h z ，中心频率为1 9 4 5m h z ，完全 满足设计要求；而且由图可知，该滤波器的传输曲线上有两个不对称的传输零 点，这是我们设计所未预期的，其主要原因是谐振器之间的寄生耦合所造成的。 2 1 第四章超导滤波器的研制实例 4 2 3 制作与测试 f r e q u e n c y ( g h z ) 图4 4 滤波器最终仿真设计曲线 该滤波器由本课题组自主研制的t 1 2 b a 2 c a c u 2 0 8 ( t l 一2 2 1 2 ) 薄膜制成【l9 。薄 膜生长在o 5m l t l 厚双抛l a a l 0 3 ( 0 0 1 ) 单晶衬底上，厚度为5 0 0n l t l ，采用磁控溅 射加后热处理两步法制成。薄膜的转变温度约为1 0 5k ，临界电流密度j c = 2 5 x 1 0 6a c m ：，表面电阻小于5 0 0 脚 2 0 j 。 双面h t s 薄膜的一面利用光刻和离子束刻蚀法制作出微带图形，薄膜的另 一面镀有1 5 0n l n 厚的金膜用做接地面。滤波器的接地面用薄铟片直接焊接在测 试铜盒底面以形成良好接地，两端口由密封s m a 接头引出，采用半刚性低导热 电缆与测试仪器连接，图4 5 和图4 6 为该滤波器的实物封装图。 2 2 m a g n ；。u d e 据 第四章超导滤波器的研制实例 鬯_ 倒4 5 滤波器实物蚓一敞盖 图4 6 实物图一带有上盖及调谐螺钉 我们采用a g i l e n t 7 6 2 0 e s 矢量网络分析仪在液氯环境( 7 7 k ) 下对滤波器性 能进行了测试。实测结果显示滤波器的最小插入损耗为0 2 0 6a b ，回波损耗好于 - 1 7 8d b ，带宽1 05m h z ，带外抑制约6 0d b ，除中心频率外基本上与仿真设计 结果吻合。图47 是滤波器实测曲线，由图可知，滤波器的实测中心频率比仿真 偏高约2 5m h z ，分析原因主要是由于l n l 0 3 衬底的厚度偏差所造成的删】。 - 2 3 - 第四章超导滤波器的研制实例 i c h 3 is t in ged 台r 盯一4 0d rj4 ：一2 ，7 国一rq s 26 6 aa 自agh2 1争一兮 l 、 f c c f 脊 r f 一ff l m 一1 舻 j lv r一 f 7 v l 遗 蕊跚r s t a r tl 9 8 8e 0 0 0 e b8 i zs t o p2 。00 0 80 e 98 h z 图4 7 滤波器幅频响应的测试曲线 第三节设计八阶超导滤波器 c h im a r k 件 i t i i 8 6d b l 9 4 9 5 26 h z 2 i - i8 0 0 5 曲 生9 4 6 8 96 h z 3 l - i & 3 7 5d b i - 9 4 2 5 28 - 1 z c h 3m a r k h 土：一2 2 2 d b i 9 4 9 5 26 h z 2 卜2 e 5 d b 4 - 9 4 s 8 98 h z 专瑟g 暑魏鳇 在本节中，我们采用单端口群时延法来设计一个八阶超导滤波器。群时延 设计法的思想是滤波器的参数信息都包含在其单端口的群时延内【2 2 1 ，若我们在 仿真时，使滤波器的每一阶的群时延曲线都与其理论曲线重合，那么仿真的滤 波器的响应曲线就会具有与理论相一致的结果。由于设计的滤波器通常是对称 的，因此该方法只需要仿真到一半的阶数。主要步骤如下： ( 1 ) 将第一个谐振器以后的谐振器都短路，实际上直接删除掉； ( 2 ) 调节第一个谐振器和端口，使得第一阶的群时延曲线左右对称，中心点 在中心频率处，且其值等于计算的特定值； ( 3 ) 增加第二个谐振器，并调节第二个谐振器和第一个谐振器的长度和它们 之间的间距，使得群时延曲线左右对称，中心位于中心频率处，中心处的群时 延值等于理论计算的群时延值。 2 4 第四章超导滤波器的研制实例 真。 ( 4 ) 同理，依次增加第三个、第四个，到第n 个( n 等于阶数的一半) 。 ( 5 ) 把调节完的左一半的谐振器对称到右半部分，形成整个滤波器，整体仿 所要设计滤波器的参数如下： 阶数：8 阶 中心频率： 1 9 5 5g h z 带宽： 1 0m h z 带内纹波：0 0 0 5d b 计算得出各阶谐振器群时延的值如表4 2 所示： 表4 2 各阶的中心频率处的群时延值 设计滤波器时，首先我们在电路级仿真软件g e n e s y s 上根据上述方法作出每 阶群时延的曲线作为标准的理论曲线，然后，在全波电磁场仿真时，调节滤波 器的版图使得s o n n e t 上的曲线与标准的理论曲线重合。 我们采用一种新颖的g 型谐振结构来设计该滤波器。所用的衬底为05m m 厚的l a a l 0 3 ，有效介电常数为2 3 6 。 首先，将第一阶谐振器后面的单元短路( 删除掉) ，调节第一阶谐振器的长 度以及与端口之间的耦合，使其群延时图像与理论曲线相符，如图4 8 所示。 d 凸 o f r e q u e n c yg h z 10 6 图4 8 第一阶谐振器的版图与群延时曲线 2 5 第四章超导滤波器的研制实例 加上第二阶谐振器，将后面的单元短路，调节前两阶谐振器的长度以及它 们之间的耦合，使其群延时图像与理论图象吻合： f r e q u e n c yg h z 图4 9 前两阶谐振器的版图与群延时曲线 再加上第三阶谐振器，调节二、三两阶谐振器的长度和它们之间的耦合， 使得其群延时图像与理论图象 1 9 4 5 t 9 5 01 且弱舶o51 , 9 7 0 f r e q u e n 叫g h z 图4 1 0 前三阶谐振器的版图和群时延曲线 同理，调节完前四阶和前五阶的谐振器。由于我们设计的是对称结构的滤 波器，因此，将前四阶谐振器的参数完全对称到后半部分，就得到8 阶滤波器 的版图，如图4 1 1 所示。 2 6 釜 气 i壁 、 、 、 卟r n & 渊 、 、 、 、 、 、 一 瑚 荤暑 伽 o 扎 = u 口。 祥闲闷闷阁删测鬯 第四章超导滤波器的研制实例 图4 1 1 滤波器的仿真版图 对整个版图进行仿真，得到的滤波器的幅频响应曲线如图4 1 2 所示。 f r e q u e n c y ( g h z ) 图4 1 2 滤波器的仿真曲线 2 7 m a g n ；o u d e 把 第四章超导滤波器的研制实例 可以看到带内带外都有良好的特性：带内s l l 几乎达到了3 0d b ，8 2 1 的纹波 小于0 0 0 5d b ，过渡带比较陡峭，左右两边有一对几乎对称的传输零点，可近一 步地提高滤波器的频率选择性。 2 8 第五章低噪声放大器( l n a ) 的相关理论 第五章低噪声放大器( l n a ) 的相关理论 本章论述了低温低噪声放大器的相关理论，第一节介绍了低噪声放大器的 技术参数，第二节则重点对低噪声的稳定性进行了研究。 5 1 1 噪声系数【2 3 】 第一节主要技术指标 噪声系数定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即： f ：堡坚上：业l ( 5 1 ) ( s n r ) 。p o n 。 、。 对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 阽u 4 k 瑞杀b 2 ， 其中民。为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子自身决定的，r 倒、r 和r 。分别为获得f , m 时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻以及晶体管输 入端的源反射系数。 对多级放大器而言，其噪声系数的计算为： 嘲+ 署+ 暴+ + 雨f - - 瓦1 + ( 5 3 ， 不难看到，放大器第一级的噪声系数和增益对于放大器整体的影响是最大 的。推而广之，如果将e 看作是射频前端( 包括滤波器和l n a ) 的噪声，g ，为 它的增益，而其余的噪声系数、增益等皆为接收通道后续各种部件如抑制镜像 滤波器、混频器等的参数，也会很容易得到这么一个结论，射频前端的噪声和 增益对于系统的整体性能起着决定作用，这也从理论上论证了采用h t s 滤波器 和低温l n a 的性能优势2 4 1 。 在某些高性能的系统中，由于其噪声很小，用噪声系数来表示噪声的大小 不是很方便，常常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为： 乃= t o ( f - 1 ) ( 5 4 ) 第五章低噪声放大器( l n a ) 的相关理论 上式中，乃为放大器的等效噪声温度，t o = 2 9 0k ，f 为放大器的噪声系数。 在实际应用中，噪声系数经常以d b 为单位来表示，即： n f ( d b ) = 1 0 1 0 9 f ( 5 5 ) 双极晶体管的最小噪声系数为： 广下 k 司+ b y 2 ( 1 + 1 + 旁) ( 5 6 ) 式中6 ：竺警，这里吃为基极寄生电阻，而乞为集电极电流。f e t 的最小 - ，r 噪声系数可表示为： f m 1 + m f ( 5 7 ) 其中m = 芋4 = 话_ 五可。式( 5 6 ) 和( 5 7 ) 对比可知，双极晶体管的最 小噪声系数随频率按照平方律增大，而f e t 的最小噪声系数则随频率线性增大。 因此当工作频率提高时，与双极晶体管相比f e t 有更加优越的噪声性能2 5 1 。 5 1 2 功率增益与增益平坦度 功率增益是放大器的重要指标之一，它与放大管输入、输出端所接负载有 关。图5 1 为微波放大器作为二端口网络的方框图： y 图5 1 放大器作为二端口网络方框图 z 其中a 1 ，b l 和a 2 ，b 2 分别是放大器输入端和输出端的归一化入射波和反射 波；z s 是经输入匹配网络向信号源看去的阻抗；z l 是经输出匹配网络向负载看 去的阻抗；z 加是放大器输出端接乙时的输入阻抗；z 俐是放大器输入端接磊时 3 0 第五章低噪声放大器( l n a ) 的相关理论 的输出阻抗。设放大器两端参考阻抗均为z 。，则z ”z 、z 加和z 倒可用其对 参考阻抗z 0 匹配程度相应的反射系数b 、l 、l 和来表示： b ：兰直 ( 5 8 ) 6 z s + z o 、。 l = 焉 l = i z n - 酉z 0 二k 十厶“ = 乏z ：o 鬲u t z 0 放大器功率增益有多种定义。 不同，有以下几种定义： ( 5 9 ) ( 5 1 0 ) ( 5 1 1 ) 根据源和负载和二端口器件相匹配的情况的 ( 1 ) 实际功率增益g p ，又称工作功率增益，定义为负载所吸收的功率最，和输 入功率己之比。即： g p = 每= 盘黼岛 埘 实际功率增益g 。与晶体管g 参数及负载反射系数有关。因此，用上式便于 研究负载的变化对放大器功率增益的影响。 ( 2 ) 转换功率增益q ，又称为传输功率增益，定义为负载吸收的功率只，与信 号源输出的资用功率之比，即： ， 卟鲁：嗲吐剡 ( 5 1 3 ) 。 只 1 1 - 1 $ 2 2 f l l 2 1 1 一l l l 2 、 转换功率增益g ，表示，插入放大器后负载上得到的功率，比无放大器时得 到的最大功率增加的倍数。它的大小与输入和输出端的匹配程度有关 2 6 】。 ( 3 ) 资用功率增益g 。，又称为可用功率增益、有用功率增益，定义为负载吸 收的资用功率最。与信号源输出的资用功率只之比。它是在放大器输入和输出端 分别实现共轭匹配的情况下，放大器产生的功率增益，也是在输出端共轭匹配 情况下的转换功率增益。 3 1 第五章低噪声放大器( l n a ) 的相关理论 q ：每：芒禁黜 鬻p 厶争= m 2 叫 1 只最 1 i q ：墨g 。f 1 圪 4 j 即料 m ，：鱼二噬涎二纠：! 1 1 一l 1 2 ( 5 1 4 ) ( 5 1 5 ) ( 5 1 6 ) ( 5 1 7 ) 一般情况下，必l 1 ，m 2 1 ，所以g ， 1 ( 5 3 6 ) 若l s 。l 1 和i s 2 2 i l( 5 3 9 ) 2 1 s 1 2 s 2 l 稳定性因子k 对于输入和输出端口都适用。所以放大器绝对稳定的充分必要 条件为a i 。两个条件必须同时具备。 稳定性因子k 完全由放大器的s 参量决定。并具有以下几个特征： ( 1 ) 在网络的两个端口( 或其中一个端口) 上串联( 或并联) 相应的电阻( 或 电导) ，则网络的稳定系数会增大，网络的稳定性将得到提高。 ( 2 ) 在网络的两个端口( 或其中一个端口) 上串联( 或并联) 相应的电抗( 或 电纳) ，则网络的稳定系数不变，网络的稳定性不变。 ( 3 ) 在用任何电阻或电导改变网络参量的归一化时，稳定系数不变。 3 7 第五章低噪声放大器( l n a ) 的相关理论 根据以上稳定性因子k 的特性，我们可以采用以下两种措施来改善放大器 稳定性： ( 1 ) 串联电阻或并联电阻用于抵消由于自激振荡引起的负阻抗部分。这样做 的代价是阻抗匹配的状态可能被破坏，产生功率损失；由于电阻的附加热噪声， l s 波段低温低噪声放大器电路的噪声会增加。 ( 2 ) 负反馈。例如可以在源极适当加入电感或相当于电感的微带线。负反馈 造成的结果为：k 增加，恢。i 下降，慨。l 略下降，l ：l 略下降。当负反馈过大时， k l | ，i s 。i ，i 是：l 上升，k 下降，反而不稳定。 在低温低噪声放大器的设计过程中，总是把放大器的稳定性放在第一位。 且尽量避免使用电阻等有耗器件，因为它们的引入会对噪声有贡献。 第三节l n a 的设计流程 常温放大器的设计方法已经非常成熟。到2 0 世纪9 0 年代中期以后，由于 制冷技术和电子技术的飞速发展，特别是长寿命的微型制冷机和微波单片放大 器的出现，使得低温放大器的设计技术得到了相应的发展。 低温l n a 的设计方法和常温l n a 的设计方法本质上没有什么不同，但是 设计低温下工作的l n a ，需要知道所使用的器件( 包括h e m t 、电感、电容等) 在低温下的参数，但实际当中这是不容易实现的，因为绝大多数器件厂商不提 供器件在低温下的特性信息。因此本设计中对于器件的选用是基于这样一个假 设：放大管在低温环境下能够正常工作，各种特性指标与所给的常温特性指标 相差不大，而且各种特性指标与常温所给出的特性指标有相同的趋势。基于这 个假设，我们就认为常温特性好的器件它的低温特性也好。选择好放大管以后， 根据有关文献中的经验对管子的常温参数进行适当的修正，得到大致的低温技 术参数。在完成设计并进行低温测试之后，才能最终判定放大管的选取是否正 确。根据以上分析，确定了本次设计的流程如图5 4 所示： 3 8 第五章低噪声放大器( l n a ) 的相关理论 图5 4 设计流程 3 9 第六章低温低噪声放大器( l n a ) 的仿真设计 第六章低温低噪声放大器( l n a ) 的仿真设计 低温l n a 在设计原理上与常温l n a 在设计原理上基本相同，最大的差别 在于工作环境处于液氮温区附近或以下，从而导致常温下能够正常工作的电路 可能会改变原来的电特性甚至无法工作。总的说来，低温l n a 与常温l n a 较 为突出的不同之处有以下几点【2 8 】： ( 1 ) 在液氮温区下大多数有源器件，如普通双极晶体管通常不能正常工作， 对于还能正常工作的器件，如h e m t 器件，它们的电特性也会发生不同程度的 改变，比如工作噪声降低、增益变大或是变小等。 ( 2 ) 在低温下，无源器件，如电感、电容等元件的电特性会发生变化，变化 的幅度依照不同的生产厂家和产品质量而定。 ( 3 ) 常规基板材料，可能会在低温下产生翘曲，还有极为重要的一点是介电 常数会发生不同程度的变化，这样通常会使按照常温参数设计的匹配网络性能 发生变化( 尤其是对于分布参数电路，微带线、带状线等) ，所以设计的时候最 好是按照低温下的介电参数来设计电路。 ( 4 ) 直流偏置电路在低温下性能可能发生变化，因此最好将稳压电路( 如三 端稳压器等) 与l n a 独立制作，放置在常温下。 ( 5 ) 常规材料制作的焊点可能会在低温下发生不同程度的断裂或是开焊等。 因此，在进行前期准备工作的时候就应把l n a 在低温下工作时将要遇到的 问题进行提前考虑，尤其是在选择元件、确定拓扑结构等方面需要做些特殊的 考虑。 第一节仿真设计的基础 6 1 1 晶体管与p g b 板选择 2 9 】 放大管是整个放大器电路的核心器件，因此它的选取是前期设计工作的关 键。选取低噪声放大管的时候，有几个原则，那就是高增益和低噪声以及足够 的动态范围。目前双极型低噪声管的工作频率可以达到几个千兆，噪声系数为 4 0 第六章低温低噪声放大器( u 蛆) 的仿真设计 几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，噪声系数可在1 分贝 以下。 因此在选取低噪声放大器管时我们考虑到，微波低噪声管的噪声系数足够 小工作频段足够高，现在p h e m t 场效应管的噪声系数在2g h z 可在0 5d b 左 右，工作频率高端可达到6g h z ，完全符合设计要求。 在过去的3 0 年中，随着半导体材料和其制作工艺的飞速发展，涌现出了众 多不同用途不同种类的半导体器件。不同用途的半导体器件层出不穷。这里给 出不同类型放大管的英文缩写、全名以及所对应的中文名称： f e t _ - f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ：场效应管 b j t - b i p 0 1 a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ：双极晶体管 m e s f e t _ m e t a ls e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ：金属半导体结场效 应管 h e m t _ h i 曲e l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r ：高电子迁移率场效应管 p h e m t p s e u d o m o r p h i ch e m t ：赝晶高电子迁移率场效应管 h b t - h e t e r oj u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r ：异质结双极晶体管 不同的器件具有不同的特点，适用不同的电路，表6 1 给出了这些器件的 比较。 ， 表6 1 常见放大器元件的性能与用途 扉帽 材料适用粹 】州即勋里主粤夥l 撇缨乖黼 ( g l - t z ) b 丁t& l q e 4 1 第六章低温低噪声放大器( l n a ) 的仿真设计 目前应用在l s 波段低温低噪声放大器上面的放大管很多就是属于h e i v l t 的器件。该类器件之所以在低温下具备良好的噪声和增益性能，足与它特殊的 结构分不开的。h e m t 基本上是由异质结构组成，这些异质结构具有协调的晶 格常数以避免层之间的机械张力。特定的例子是g a a s 和i n g a a s i n p 界面。对 有不协调品格的研究也在不断地取得进展，例如，将一较大的i n g a a s 晶格被 压缩在较小的c r a a s 晶格上。这种器件被称之为赝晶( p s e u d o m o x p h i c ) h e m t 或 简称p h e m t 。 现在比较常见的h e m t 有以g a a s 为村底的h e m t 和以i n p 为衬底的h e m t 两种。l n p 为衬底的h e m t 作为最新型低噪声器件工艺，具有更小的噪声、更 少的功耗、更高的工作频率。但h a pi - i e m t 太部分还处于实验室研制阶段，还没 有大批量投入市场。相反，g a a s 为村底的h e m t 技术已经相当成熟并有很多 公司投入了批量生产。本文设计所选用的就是g a a s 为衬底的h e m t 。图61 即 是h e m t 器件物理结构示意图以及小信号等效电路，在小信号情况下，电路中 的元件值是常数，称为线性等效电路： ，8 ：胃 b 曩- 过醯一| 叫豳 。、4 。：一 ( a ) 结构示意图f o ) d 、信号模型 图61h e m t 元件结构以及小信号模型示意图 需要注意的是，直流栅压v 。对h e m t 的高频响应等特性有着决定性盼影 响它控制着量子阱中2 d e o 的密度，影响能带的结构和2 d e g 的输运。对于频率 特性的影响主要是通过改变器件的直流工作点而发生作用的。它对器件本身的4 个s 参数的影响都很大。这主要是随着栅压的增大，进入势阱中的电子增多，2 d e g 沟道中的电子密度增大，使得2 d e g 传输沟道电阻减小，