（电磁场与微波技术专业论文）x、ku波段微波前端关键技术研究.pdf

x 、k u 波段微波前端关键技术研究 摘要 随着通信技术的不断发展，微波前端有源器件和无源器件的研究对于提高卫星通信 系统以及雷达系统等的性能有重要意义。本文的主要工作围绕微波收发前端的低噪声放 大器、混频器展开。内容涉及宽带低噪声放大器、平衡式低噪声放大器以及9 0 0 相移单 平衡混频器的研究。 高性能的低噪声放大器可以提高接收系统的灵敏度，是微波接收前端的关键器件。 传统的宽带低噪声放大器通常基于平衡或负反馈结构，无反馈的非平衡式放大器通常在 单一频率点上进行阻抗匹配，频带较窄。本文在研究传统低噪声放大器设计方法的同时， 设计了一种利用不对称微带十字型结的匹配方法，通过和a d s 仿真软件相结合，在频 带范围内对低噪声放大器进行阻抗匹配，达到在宽频带范围内满足低噪声放大器增益、 噪声系数等指标。根据这种设计方法，设计了一个工作在1 0 , - , 1 4 g h z 的低噪声放大器， 实际测试结果表明，该方法可以满足设计指标，为实际工程应用提供了较好的借鉴作用。 同时利用a d s 仿真设计了一个平衡式低噪声放大器，对比了平衡式放大器和单分支放 大器的性能。 微波收发前端的混频器可以实现信号频谱搬移功能，是微波i ； 端另一个关键器件。 本文在研究混频器理论的基础上，利用a d s 仿真设计了一个9 0 。相移单平衡混频器，仿 真结果表明，该混频器的性能符合设计要求。 关键词：低噪声放大器；混频器；不对称微带十字型结；阻抗匹配 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i tb e c o m e sv e r yv a l u a b l et o 咖d y t h ea c t i v eo rp a s s i v ec o m p e n t so fm i c r o w a v ef r o n te n dw h i c hi so fs i g n i f i c a n c et ot h es a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m so rr a d a rs y s t e m s t h eo b j e c t ss t u d i e di nt h et h e s i si n v o l v e dt h ew i d e b a n dl o wn o i s ea m p l i f i e r ，b a l a n c e dl o wn o i s ea m p l i f i e ra n dt h es i n g l e b a l a n c e dm i x e rw i t h9 0 d e g r e ep h a s e s h i f i a st h eh i g hp e r f o r m a n c el o wn o i s ea m p l i f i e rc a ni m p r o v et h es e n s i t i v i t yo f r e c e i v e r , i ti s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n ti nm i c r o w a v ef r o n te n d t h et r a d i t i o n a lw i d eb a n dl o w n o i s ea m p l i f i e ro f t e nu s e st h eb a l a n c eo rn e g a t i v ef e e d b a c ks t r u c t u r e t h ea n b a l a n c e dl o w n o i s ea m p l i f i e rw i t h o u tf e e d b a c ko f t e nm a t c h e st h ei m p e d e n c ei nt h es i n g l ef r e q u e n c ep o i n t a n dh a v ean a r r o wb a n d t h i st h e s i sd e s i g n e dam a t c h i n gm e t h o dw h i c hc a nm a t c ht h e i m p e d e n c ei nab a n db yu s i n gt h ea s y m m e t r ym i c r o s t r i pc r u s a d e ra n dt h ea d ss i m u l a t i o n s o f t w a r e t h i sm e t h o dc a nf i l lt h et a r g e to fl o wn o i s ea m p l i f i e rs u c ha sg a i n n o i s ef i g u r ee c ti n aw i d eb a n d al 肛1 4g h zl o wn o i s ea m p l i f i e rw a sd e s i g n e db yu s i n gt h i sm e t h o d t h et e s t r e s u l t so ft h ea m p l i f i e rf i ut h ed e s i g nt a r g e ta n dt h ed e s i g nm e t h o d ，w h i c hp r o v i d eag o o d r e f e r e n c ef o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h et h e s i sa l s os i m u l a t e dab a l a n c e dl o w n o i s ea m p l i f i e rb yu s i n gt h ea d ss i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dc a m p a r e dt h ep e r f o h n a n c ew i t ht h e s i n g l eb r a n c hl o wn o i s ea m p l i f i e r t h em i x e rw h i c hc a nm o v et h es i g n a ls p e c t r u mi sa n o t h e ri m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h e f x o n te n d t h et h e s i sd e s i g nas i n g l e - b a l a n c e dm i x e rw i t h9 0d e g r e ep h a s e s h i f tb yu s i n gt h e a d ss i m u l a t i o ns o f t w a r eo nt h eb a s i so fs t u d i n gt h et h e o r yo fm i x e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h ep e r f o r m a n c eo ft h em i x e rm e e td e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：l o wn o i s ea m p l i f i e r ；m i x e r ；a s y m m e t r ym i c r o s t r i pc r u s a d e r ；i m p e d e n c em a t c h 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 在电子通信领域，工作频率决定了信号的传输方式和传输特性。电子通信的发展历 程可以视作所使用的载波频率由低到高的过程。通常把波长从l m 到o 1 m m 范围内的电 磁波称为微波，所对应的频率范围为3 0 0 m h z 到3 0 0 0 g h z ，分为分米波、厘米波、毫米 波和亚毫米波4 个波段。由电气和电子工程师学会( i e e e ) 建立的频谱分段法将微波频段 进一步细分为不同的频段，并用字母表示，如l 波段( 1 2 g h z ) 、s 波段( 2 - - 4 g h z ) 、c 波 段( 4 , - , s g h z ) 、x 波段( 8 1 2 5 g h z ) 、k u 波段( 1 2 5 1 8 g h z ) 等【1 1 。在电路设计中，当频率 较高导致电路尺寸与波长相比拟时，低频的基尔霍夫理论不再适用，需要考虑波动特性 和分布参数的影响。 图1 1 所示的是一般无线通信收发机的系统模型，包含有天线、发射电路和接收电 路。发射电路的主要作用是通过混频器将低频模拟信号与本地振荡器提供的高频载波上 变频成微波调制信号，然后经天线辐射出去；接收电路的主要作用是通过混频器将天线 耦合进来的空间辐射信号经过低噪声放大，与本地振荡器提供的高频载波下变频为中频 信号。 数一模转换 混频器功率放大器 卜1 - - n - g t , - r l z 数 l r 、，1 i 。人入 一 驯挟丌大 一i 二= = 二i 、 y7 j 字 处 枇嬲器固 理 部 模一数转换 滤波器 l 低噪声放大器 分 回 陌 一繇疋一du n i 数模混合电路j模拟信号电路 图1 1 无线通信系统方框图 无线通信系统前端由传输线连接不同的部件构成。其中有源器件有放大器、混频器、 振荡器和一些微波控制电路等，无源器件包含滤波器、功分器、耦合器、隔离器等。每 一项成熟的电子技术都趋于降低价格、减小尺寸与重量和增加复杂度，微波电路也不例 外。随着通信技术的发展，提高每个部件的性能指标，设计性能更优越、结构更紧凑的 微波i j 端器件具有重要的意义。 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 1 2 国内外发展现状 1 8 6 4 年麦克斯韦在伦敦英国皇家学会首次发表的一篇论文，提出了电场和磁场由所 在介质中的耦合效应导致传播的设想，预言了电磁波的存在。1 8 8 7 年赫兹通过实验证实 了空间可以传播电磁能量，无线通信时代从此开始。1 9 0 1 年，马可尼成功实现了无线电 信号横越大西洋，从此射频电子技术正式宣告诞生1 2 1 。第二次世界大战中雷达的研制加 速了微波技术的发展。1 9 4 0 年，第一台1 0 c m 波长雷达被研制出来，它可以探测l l k m 外 露出水面的潜望镜。1 9 4 8 年w s h o c k l e y 等人发明了晶体三极管，电子技术发展史又迈出 了历史性的重要一步1 3 。 微波集成电路( m i c ) 技术的出现，可以用尺寸小和价格相对低的平面电路元件代替 沉重而费用高的波导和同轴元件，使得完整的微波子系统集成在一块芯片上【4 1 。有两种 不同类型的微波集成电路。2 0 世纪6 0 年代开发出的混合微波集成电路( h m i c ) ，由用做导 体和传输线的金属层和固定在基片上的分立元件构成。基片材料通常选择氧化铝、石英 和聚四氟乙烯( t e f l o n ) 纤维等。氧化铝具有较高的介电常数，这可以减小电路的尺寸；石 英较强的刚度可以使它用于较高频率( 大于2 0 g h z ) 的电路；聚四氟乙烯具有低价格优势。 自2 0 世纪7 0 年代后期，g a a s 材料工艺和器件开发的进展预示单片微波集成电路的可实现 性。单片微波集成电路使有源和无源电路元件生长在一个由几层金属、介质和电阻膜组 成的基片上。基片是一种半导体材料，可以在其上制作有源器件，而基片的类型限制了 器件的类型和频率范围。硅双极型晶体管和蓝宝石硅( s o s ) m e s f e t 可以工作到几个g h z 的频率；亚微米栅长度的g a a sf e t 可以工作至u 6 0 g h z 的频率；以铟磷( i n p ) 为基片材料的 m m i c 可以工作到更高的频率范围，并具有更低的噪声系数【5 】。相比混合微波集成电路 或其他类型电路，单片微波集成电路有着在小批量生产时造价相对昂贵、制造后调谐与 修整困难、不能用于中功率或更高功率电路中、难实现高q 谐振器和滤波器等缺点，但 也有体积小、重量轻、电路灵活且高性能、宽频带和可重复性好等优点f 6 】。 对于接收电路，较小的噪声系数可以使接收的信号具有较高的信噪比，接收机前端 的低噪声放大器主要决定了接收系统的噪声系数，因此低噪声放大器是各国研究的热 点。放大器的性能主要取决于内部所采用的微波晶体管的性能。在6 0 年代中期，半导体 材料和工艺得到迅速发展，固态器件开始大量应用微波晶体管。微波晶体管根据工作原 理的不同分为双极性晶体管和单极型晶体管。双极性晶体管( b i p o l a r - j u n c t i o nt r a n s i s t o r ) 由n p n 或p n p 配置下三层交替掺杂的半导体组成，通过少数和多数载流子参与内部导 电。虽然集成电路( i c ) 常利用大量晶体管制作处理器、存储器等，但在射频微波应用中， 2 第1 章绪论 分立的晶体管在低噪声、线性、和高功率器件方面仍具有重要的作用。随着材料和工艺 的发展，异质结( h e t e r o j u n e t i o n ) 双极晶体管( h a t ) 得到越来越广泛的应用，它通过添加 半导体层加强了注入到基极的电子电流，同时抑制了注入到发射级的空穴，从而提高了 发射极效率。可实现异质结的材料除g a a l a s 。g a a s ：夕b ，还包括i n p 发射极i n g a a s 基极、 g a i n a s 基底i n p 集电极等。i n p 材料相匕l g a a s 有更高的击穿电压和热传导效应、更大的 能带间隙，可以工作在超过1 0 0 g h z 的频率范围。单极性晶体管通常指场效应晶体管 ( f e t ) ，它由一种或是空穴或是电子的载流子参与导电。按照栅极连接到导电沟道方式 的不同，场效应晶体管分为金属绝缘栅半导体f e t ( m i s f e t ) 、结型场效应晶体管( j f e t ) 、 金属半导体f e t ( m e s f e t ) 、异质f e t ( h e t e r of e t ) 四种类型。高电子迁移率晶体管( h e m t ) 属于第四类。通常，m i s f e t 和j f e t 具有较低截止频率，工作在约1 g h z 以下的低频率范 围，g a a sm e s f e t 可以工作在6 0 - 7 0 g h z 的频率范围，h e m t 可工作于超过1 0 0 g h z 的频 率范围1 1 。 自从5 0 年代第一个工作频率在1 g h z 左右的g eb j t 问世以后，s i 基和g a a s 基材料的 b j t 开始应用在高频段上。1 9 7 0 年高性能的s ib j t 可以分别在1 、2 , n 4 g h z 频率上获得1 3 、 2 6 和4 d b 的噪声系数。1 9 6 6 年第一个g a a sm e s f e t 被c m e a d 提出，在接下来的几年中， 。从3 g h z 上升至l j l 0 0 g h z ，低噪声和功率g a a $ m e s f e t 也开始了商业应用1 7 j 。1 9 8 1 年 法国t h o m s o n c s f 公司成功研制第一个低噪声h e m t ，在1 0 g h z 下噪声系数为2 3 d b ，增 益为1 0 3 d b 剐。以a i g a a s i n g a a s 为材料的h e m t 分别在6 0 g h z 和9 4 g h z 频率下，可以达 到1 6 d b 噪声系数、7 6 d b 增益和2 4 d b 噪声系数、5 4 d b 增益；而以i n p 为材料的h e m t 可 以在上述两个频率下，分别达到o 9 d b 噪声系数、8 6 d b 增益和1 4 d b 噪声系数、6 5 d b 增 益 9 1 。g a a sh b t 在8 0 年代早期出现，为降低成本化合物半导体器件逐渐被硅基器件代 替，1 9 8 7 年第一个s i g eh b t 被开发出来【7 j 。文献【1 0 】介绍了一种工作在x 波段的h b t 低 噪声放大器，达到在9 5 g h z 频率下1 l d b 增益，2 7 8 d b 噪声系数。 国内报道的混合微波集成电路低噪声放大器在c 波段约6 0 0 m h z 的频率范围内，增益 大于6 0 d b ，噪声系数小于0 5 6 d b t 5 1 。对于k a 波段，有文献 1 l 】介绍在3 2 3 6 g h z 频率范围 内低噪声放大器采用两级级联结构，噪声系数在3 d b 左右。上海天文台通过将低噪声放 大器放置在1 5 k 物理温度以下的低温室中，所设计的l 波段低噪声放大器的噪声系数可 达3 2 3 8 k 眩】。在m m i c 方面，国内采用p h e m t 设计的单片低噪声放大器在3 0 0 m h z 带 宽内，增益为2 5 d b ，噪声系数小于1 4 d b 1 3 】。对于宽频带低噪声放大器，国内可以实现 在1 7 g h z 频带内2 d b 左右的噪声系数【1 4 】。在k a 频段上，国外有3 4 , - - 3 6 g h z 单片低噪声放 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 大器，增益2 2 d b ，噪声系数2 1 d b l l 5 】。采用c m o s i 艺制作的低噪声放大器有成本低、 体积小、性能稳定等优点。文献 1 6 】中采用c m o s i 艺实现的2 1 g h z 低噪声放大器，增 益可达2 1 6 3 d b ，噪声系数2 1 d b ，芯片面积为0 8 m m 0 6 m m 。国外采用s i g eb i c m o s 工艺制作的超宽带低噪声放大器，在2 , - , 1 0 g h z 频率范围内，有大于1 0 d b 的增益和小于 3 3 d b 的噪声系数，面积为1 1 m m 0 8 m m t l 7 1 。可以看到，降低成本、改进性能、减小尺 寸将是低噪声放大器未来的发展趋势。 混频器是微波收发前端的另一个重要模块。1 9 2 4 年a r m s t r o n g 研制成功第一个混频 器1 2 3 】。目前基于g i l b e r t 单元的双平衡混频器是无线通信中研究的热点，应用也最广泛。 该电路结构来源于f l j b a t r i eg i l b e r t 提出的高精度乘法器【2 4 1 。混频器的各项指标，如增益、 线性度、噪声、隔离度、功耗等需要满足不同的系统指标和架构，经过良好设计的g i l b e r t 混频器具有较好的性能，而为了优化其中的某项性能，改进版的g i l b e r t 混频器可以提高 线性度、转换增益、改善噪声性能等指标口熨。另一种应用较为广泛的混频器结构是无源 混频器【2 6 1 。此外，运算放大器也可以应用到混频器中f 2 7 1 。混频器另一个研究方向是毫米 波段混频器。文献 2 8 】给出利用p h e m t 肖特基势垒二极管m m i c 技术，实现在3 2 - - 4 0 g h z 频率范围内变频损耗小于8 5 d b 。国内制作的k a 波段四次谐波混频器在3 4 - - 3 6 g h z 的频率 范围内，变频损耗小于1 1 8 d b t 2 9 1 。 1 3 课题研究背景和意义 从第二次世界大战开始，人们越来越重视微波技术，无线通信技术也得到了迅猛的 发展。微波收发前端电路一直是无线系统设计的难点之一，微波前端器件性能的好坏， 直接影响无线通信系统的质量，因此设计性能优良的前端器件，对提高通信系统的工作 效率和通信质量，有着重要意义。 随着3 g 移动通信的普及，无线市场展示了极具潜力的发展前景，世界上各个微波系 统生产厂商都投入了巨大的人力物力来研发新型和高性能微波通信产品。研究微波前端 电路既是国防建设的需要也是发展我国国民经济的需要。 1 4 论文安排 本论文主要对微波收发前端器件进行研究和设计，包括低噪声放大器和混频器的理 论与设计，重点介绍利用不对称微带十字型结设计宽频带低噪声放大器。 第二章在介绍二端口网络散射参量的基础上，介绍了低噪声放大器的主要性能参 数。 4 第1 章绪论 第三章在介绍常用宽带低噪声放大器电路的基础上，利用不对称微带十字型结设计 一个1 0 1 4 g h z 低噪声放大器，并对该放大器进行制作和测试，测试结果表明该放大器 满足设计指标。同时利用a d s 仿真软件仿真设计了一个平衡式低噪声放大器，并且与 单分支低噪声放大器的性能进行了比较。 第四章介绍了混频器的理论与性能参数。利用通用二极管模型设计了一个9 0 0 相移 单平衡混频器，该混频器的仿真结果满足设计指标。 结论部分对本论文的主要工作进行了总结，指出论文的创新与不足以及需要进一步 完善的地方，最后提出了对于进行该课题进一步研究的个人见解。 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 第2 章低噪声放大器的主要性能参数 2 1引言 低噪声放大器是射频微波前端的重要组成部分，其主要功能是放大天线从空中接收 到的微弱信号，在抑制器件自身产生的噪声的基础上对信号进行放大，供系统解调出所 需的信息。其主要特性为：为满足系统对接收灵敏度等要求，要有合适的噪声系数；为 抑制后级电路噪声系数，并且使后级电路工作在线性范围内，需要有一定的增益；为与 前后级电路匹配以达到最大功率传输，需要输入端和输出端有良好的匹配；由于采用的 晶体管具有双向性效应，需要使放大器有较好的反向隔离度。低噪声放大器接收的信号 主要是由天线接收到的信号等微弱信号，所以放大器模型采用小信号模型，通常由散射 参量表示。 2 2 二端口网络 低噪声放大器可以视作二端口网络。微波频率下，二端口网络可由散射参量( s 参量) 来描述。s 参量将网络的输入输出关系用入射功率波和反射功率波的方式定义。图2 1 是二端口网络散射参量示意图。 q - - - - - - - - - 6 l 4 - - s 】 锡 一 6 2 - - - - - - - 图2 1 - - n 口嘲络s 参量 根据图2 1 ，定义归一化入射功率和归一化反射功率为 铲赢叱心( 2 - 1 ) 吃2 壶( k 一驯 ( 2 - 2 ) 其中下标聆为端口编号1 或2 。假设输入端口和输出端口的特性阻抗均为z o 。根据网络 端1 3 电压与入射电压和反射电压、网络端口电流与入射电流和反射电流的关系，可以得 到 圪= 曙+ 巧= 亏( + 吃) ( 2 3 ) 厶= c c 2 去( 圳 ( 2 卅 6 归一化功率波与功率有一定的联系，从r l 端1 3 进入网络的功率为 只= 三r o i v 1 ：l = 吾( 蚶一i b , 1 2 ) ( 2 - 5 ) 根据图2 1 中的电压波方向，定义s 参量为 阱瞪撇) p 6 ， 其中散射矩阵s 中符号的意义为 耻垒i ，8 1 2m 鱼i ，s 2 ，：一6 2l ，：6 2l ( 2 - 7 ) o l l a 2 ：0 a 2 i 口l ：o口l i 口2 ；oa 2 1 吨：o 根据归一化功率波的定义，可将s 。、& 。分别改写成 耻址2 副a 2 - - 0 一r 乩：。 ( 2 - 8 ) 耻扎2 礼( 2 - 9 ) q1 4 = 0 i | 4 1 暑。 由式( 2 - 8 ) 可看出，s 。的物理意义为当端1 ：32 连接匹配负载时端1 31 的反射系数； 同理的物理意义为当端口1 连接匹配负载时端口2 的反射系数。由式( 2 - 9 ) 可看出，是。 的物理意义为当端1 32 连接匹配负载时二端1 3 网络的正向电压传输系数；同理s ：表示 当端1 31 连接匹配负载时二端1 3 网络的反向电压传输系数。 如果图2 1 的二端1 3 网络代表了个晶体管，那么该网络的s 参数为不同直流偏置 下频率的函数。 2 3 低噪声放大器的主要性能参数 低噪声放大器由射频微波晶体管、输入匹配网络、输出匹配网络和直流偏置电路组 成。图2 2 为单级低噪声放大器的框图。其中，焉和最分别表示传输到二端1 3 网络输 入端的功率和传输到负载的功率；只焐表示信号源向二端1 3 网络提供的最大功率；只州 表示二端1 ：3 网络输出的最大功率。乙表示由该端1 3 看进去的阻抗，r 。表示与乞对应， 相对于z o ( 一般取作5 0 q ) 的反射系数： l 2 裁( 2 - 1 0 ) 低噪声放大器的设计以晶体管s 参数为依据。晶体管的s 参数矩阵是在一定的频率 和直流偏置条件下测得。设计一个低噪声放大器，主要是设计合理的直流偏置电路和输 入、输出匹配电路。为了使放大器与前后级电路匹配，输入匹配电路将源端5 0 q 的特 性阻抗变换成符合需求的源阻抗z 。，同理输出匹配电路将负载端5 0 f 2 的特性阻抗变换 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 到需求的负载阻抗乞。 2 3 1增益 l z 口 r sr 阱 z sz 雕 r o 盯rl z o 暇z l 图2 2 单级低噪声放大器框图 l 乙 放大器的功率增益与输入输出匹配电路有关，有多种定义方式。 1 转换功率增益q ：描述了传输到负载的功率置和来自信号源的资用功率只烬的比 值 q = 去= 岛i 蚶i i - f f岛 陆1 只临i，s 1 2 “1 1 一r 工1 2 、7 其中 驴耻鼯f 鲫喝+ 避1 - s u f s ( 2 - 1 2 ) 可以看出，放大器负载反射系数的改变可以引起晶体管输入反射系数的改变，放大 器源端反射系数的改变可以引起晶体管输出反射系数的改变，这是由晶体管的双向性引 起。当所选用的晶体管的& ：参数可以假设为0 时，晶体管具有单向性，否则需要同时 考虑负载和源端的匹配对放大器的影响。 2 资用功率增益q ：描述了来自二端口网络的资用功率只跗和来自信号源的资用功 率只路的比值 q = i p a f n 刊啥屹卯= 两, - i r 可s l = 剐2 矗辛 ( 2 - 1 3 ) 3 q - 作功率增益q ：描述了传输到负载的功率置和输入到二端口网络的功率焉的 l t 值 q = 每= 叱r = 研1 阱岛 p 由功率增益的三种定义方式可以看出，转换功率增益是k 、f 和晶体管s 参数的 函数：资用功率增益为负载匹配时的增益，是f 。和晶体管s 参数的函数；工作功率增益 8 第2 章低噪声放大器的主要性能参数 屹一。= v ：= 厂= 一 ( 2 1 6 、 4 k t r b1 6 ) ，。2 、吒2 【z 。 = 竺已= k t b ( 2 - 1 7 ) 1 ”4 r 、。7 11 r 丰一r 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 瓦的噪声电阻，该噪声电阻产生噪声功率为只 rs。ikb(2-18) 不称为等效噪声温度。对于一个带宽为b 、增益为g 的无噪声信号源的放大器，由于该 放大器自身产生噪声，可等效为一个无噪声的二端1 2 网络和一个噪声源，其等效噪声温 度为 乃2 盏 ( 2 - 1 9 ) 其中昂为负载端接收到的噪声功率。 一个系统的噪声性能通常用噪声系数来衡量。噪声系数的定义为网络输入端口的信 噪比除以网络输出端口的信噪比 f = 墼：卑：旦鱼：1 + 土( 2 - 2 0 ) s n r o乞2昱i6 a ， 、7 其中b = 吼丑，只：= q 只，+ ，表示该系统在将输入端信号和噪声一起放大q 倍的同 时，在输出端添加了由系统产生的噪声功率己。因此噪声系数反映了系统信噪比的下降 程度。 低噪声放大器的主要作用是将由天线接收到的微弱信号放大，供后级电路处理，并 且在放大接收信号的同时，尽量减少器件产生的附加噪声。如今人们对无线系统的要求 越来越严格，例如辐射功率小、作用距离远、覆盖范围广等。提高系统的接收灵敏度可 以有效改善系统的性能。系统接收灵敏度的计算公式为 趾= - 1 7 4 ( d b m h z ) + n f + 1 0 1 0 9 b w ( h z ) + s n c d b )( 2 - 2 1 ) 由上式可以看出，当系统的带宽和信噪比确定以后，噪声系数成为决定系统接收灵 敏度的唯一因素。 噪声系数和等效噪声温度符合式( 2 2 2 ) 的换算关系： n f ( d b ) = 1 0 l o g ( 1 + 詈)( 2 - 2 2 ) 单级放大器的噪声系数计算公式【1 9 1 为 脬一“心揣 其中，m 为晶体管最小噪声系数，兄为晶体管的等效噪声电阻， 的最佳源反射系数，这三个数值由晶体管数据书中给出。 对于多级放大器，其级联后的总体噪声系数为 1 0 ( 2 2 3 ) f 叫为获得崛时 第2 章低噪声放大器的主要性能参数 f t o t = e + 哥- i ，丽f 3 - 1 一面知f k - 1 荪+ ( 2 - 2 4 ) 其中，e 为第k 级放大器的噪声系数，g 小为第k 级放大器的增益。由( 2 2 4 ) 式可以看出， 级联放大器的总体噪声系数主要由前面的器件决定。为获得系统较好的噪声系数指标， 应尽可能降低第一级器件的噪声系数，同时维持合理的增益。 2 3 3 稳定性 放大器的稳定性是设计中需要考虑的重要因素之一。如果放大器进入不稳定工作状 态，放大电路就会产生振荡，有源器件将进入大信号工作状态，小信号s 参数将失效， 电路将不能正常工作甚至毁坏。 放大器的稳定性由晶体管的s 参数、匹配网络和偏置条件决定。对于图2 2 中单级 低噪声放大器的框图，稳定条件分为两种： 1 无条件稳定：对任何输入、输出匹配网络，均有l r 删l 1 和l i d w i 1 ，则电路为无 条件稳定。 2 条件稳定：只有当输入和输出匹配网络在某些条件下，i r 删i l 且1 1 1 d w i 1 ，则称 为条件稳定。 对于二端口网络，当输入和输出端口呈现负阻时，蹦) l ，电路将会发生振荡。 为达到无条件稳定，电路在特定频率下必须满足 、 i r s i 1 ，i r l i l ，i r 删i 1 ，i r d 叮i l ( 2 - 2 5 ) 结合式( 2 1 2 ) 可以得到绝对稳定的充要条件1 9 】： 、 小一m p 2 6 ， ，| i = i s 。& ：- s , ：是。i 2 ( m ，刀= 0 ，1 ，2 ，) 形式的频谱。两个输入频率的这些组合称 为交调产物。其中2 劬一伤和2 鸱一劬两个差频信号处在原信号劬、鸱附近，不能从放 大器的带宽内滤除掉，最终造成原信号的失真，称为3 阶交调失真。 3 阶交调产物按喀增长。在图2 5 中的对数坐标系下，3 阶产物将按照斜率3 增长。 对于小的输入功率，3 阶交调产物较小，而当输入功率增大时，3 阶交调产物增长速度 较快。3 阶交调产物在输入功率过大的情况下也会出现增益压缩。定义理想响应的交点 为3 阶截止点，用俨3 表示，它指定为输入功率或输出功率。 2 4 本章小结 这一章首先介绍了分析低噪声放大器常用的利用散射参量表述二端口网络的方法， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 在此基础上介绍了低噪声放大器的主要性能参数，有增益、噪声系数、稳定性、动态范 围等指标，为下一章低噪声放大器的具体设计做了铺垫。只有了解这些参数的含义，才 能进一步对低噪声放大器进行分析和设计。 1 4 第3 章低噪声放大器的研究与设计 第3 章低噪声放大器的研究与设计 3 1设计指标 论文所要求设计的低噪声放大器，带宽为1 0 g h z 1 4 g h z ，噪声系数小于3 d b ，增 益大于3 0 d b ，输入输出电压驻波比均小于2 。 放大器可以看做一个频率选择器件，在所要求频率上进行放大，其它频率上无放大 作用。该低噪声放大器相对带宽大于3 0 ，带宽较宽。放大器除了应满足所需要的增益， 还需要满足一定的增益平坦度指标，否则放大器可视作为一个幅度调制器件，不平整的 增益曲线，将给输入信号进行一定的幅度调制，使信号失真。输入输出驻波比反映放大 器与前后级电路的匹配情况。一般放大器的输入端和输出端阻抗要尽可能设计成5 0 f 2 ， 这样输入输出端口的反射系数就会减小，损耗的能量也减小。 3 2 宽带放大器的电路形式 任何有源器件的增益在高频端将逐渐降低，随着频率的升高，增益将以每倍频程 6 d b 的速度下降；在设计宽频带低噪声放大器时，反相增益i s ：l 增加，使放大器的整体 增益进一步降低，并提高器件进入振荡状态的可能性：在高频时噪声系数也将增大。这 些因素都增加了设计宽频带放大器的困难度。 设计宽频带放大器，常用频率补偿匹配网络、平衡放大器和负反馈放大器电路等形 式。 + 补偿匹配网络技术在器件的输入或输出端口引入失配，通过对输入匹配网络或输出 匹配网络的失配，以补偿随频率变化的i 是。i 。对于一个二级放大器，可以在级间设计一 个增益随频率按正斜率变化的匹配网络，以补偿晶体管随频率升高增益下降的效应，达 到在全频段内的平坦增益响应。然而由于有源器件的双向性和宽频段内s 参数变化的复 杂性，这种匹配网络设计较为困难，并且更加凭借经验。 平衡放大器f 1 9 1 1 2 0 】是一种比较常用的放大器结构。图3 1 是平衡放大器的结构图。平 衡放大器由两个正交分支混合电桥和两个完全相同的单端放大器构成，其中一个定向耦 合器将输入信号分成两个大小相等、相位相差9 0 0 的信号送入两个放大器，放大器的输 出经过一个完全相同的也提供9 0 0 相位差的定向耦合器同相叠加。两个有源通道要尽可 能对称，所以需要注意电路布局。它的优点包括有较好的电压驻波比、较宽的带宽、较 高的线性度和较强的稳定性。晶体管的s 参数容易随温度变化而改变，尤其在较低温度 时，而s 参数的改变会引起电压驻波比性能的变坏，从而导致晶体管的自激振荡。即使 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 单个放大器的电压驻波比较高，平衡放大器的电压驻波比也会很低，因为平衡放大器的 输入输出电压驻波比主要取决于耦合器。 m u j l 网 x x 收大器b 入 7 i 图3 1 平衡放大器的结构图 输入功率进入3 d b 耦合电桥，被等分成两部分，这两部分在到达放大器a 和b 时 有9 0 0 相位差。输出耦合器通过再次引入9 0 0 相移，使两个放大器的输出信号同相，然 后将功率合成。假设放大器a 的增益为g 。，噪声系数为峨，反射系数为f 。；放大器 b 的增益为嚷，噪声系数为n f b ，反射系数为l ，文献【2 0 】给出了在忽略3 d b 电桥的 插入损耗情况下，平衡放大器的总体增益、噪声系数和反射系数公式： g h 2 似( 1 02 。+ 1 0 鱼2 0 n f = l o l o g 1 1 0 - ? 6 - + 1 0 监l o ) 嘣沪孚蜘+ p ) ( f a - f b ) ( 3 一1 ) 由公式( 3 1 ) 可以看出平衡放大器要求两个分支放大器的参数尽可能相同。当两个单 独放大器的增益、噪声系数和反射系数相等时，平衡放大器的增益和噪声系数和单分支 放大器的性能相同，等于单分支放大器的增益和噪声系数，而反射系数将会达到最佳值 0 。平衡式放大器的主要缺点是电路尺寸增加，消耗的直流功率增加和加入耦合器引起 一定的插入损耗。 负反馈网络的优点是可以在较宽频带内得到平坦的增益，降低输入、输出电压驻波 比，降低晶体管参数的散射性对放大器的影响；缺点是降低了晶体管的最大功率增益、 增加噪声系数。负反馈网络使晶体管输出端口的信号耦合到输入端口，与输入信号反相 叠加。常见的电阻反馈电路如图3 2 。其中电阻r l 为并联反馈，足为串联反馈。 1 6 第3 章低噪声放大器的研究与设计 3 3 晶体管的选择 设计电路采用微带线形式，基片采用= 2 6 ，厚度为0 5 m m ，损耗角正切为0 0 0 2 图3 2 串联和并联负反馈 的微波板，其上覆铜的厚度为2 0 1 9 n 。在实际放大器设计之前，根据所要求达到的增益、 噪声系数等指标确定所采用的晶体管是非常重要的一步，因为晶体管的性能会直接影响 放大器的最终性能。通过比较，选用n e c 公司的n e 3 5 0 3 m 0 4 晶体管。n e 3 5 0 3 m 0 4 是 工作在c 波段到k u 波段的低噪声高增益n 沟道f e t ，在= 2 v ，厶= 1 0 m a 的直 流偏置条件下，该晶体管在f = 1 2 g h z 处具有0 5 5 d b 噪声系数和1 1 5 d b 增益的典型应 用1 2 1 1 。图3 3 和图3 4 分别是n e 3 5 0 3 m 0 4 的主要参数和增益、噪声系数特性。 p a r a m e t e rs y m 8 0 lt e 8 tc o n 0 1 1 1 0 博嘲nmm a tu n 盯 q 舶e 协9 0 u r c el e a kc u 玎喇v a s = o v0 51 0嚏a f l a t u t a l e dd r o u r r e ml mv i 玲= 2v v m = 0 v1 54 07 0m a o a t ai o8 0 u 嘴c u t o f fv d m o e v mv a s = 2 vi o = 1 0 0 “ o _ 2- o 72 0v t t a t 惦e o r t l u e l a l l o o 争 v = 2 vi o = 1 0 m a4 05 5m s n o a er g u r o n f v = 2v i d = 1 1 ) m a f = 1 2 g h z o s 5 07 5 a q 咖m l e do a m1 0 5”5 喜 一 z 詈 毫 耄 芒 芒 ! 一 图3 3n e 3 5 0 3 矗 已 d c i o 譬 i 奄 2 置 m 0 4 m 皂 迮 z 皇 虽 - l 毫 至 差 芒 童 v = 2 v b = 1 0 m a 、 - - 一一 n f 。 o24681 01 21 4 61 8 r - m m m m yf 晒i l z 图3 4n e 3 5 0 3 m 0 4 的增益、噪卢系数特性 3 4 利用不对称微带十字型结进行阻抗匹配 传统的无反馈非平衡放大器只围绕单一频率点进行阻抗匹配，频带较窄。t 型、7 型 匹配网络虽然工作在较低的q 点，但仍属于单频率点匹配方法。设计采用频段匹配法， 利用微带不对称十字型结代替传统的t 型或万型微带短截线和单频率点匹配法，以无反 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 馈的非平衡方式设计低噪声放大器。 图3 5 显示的是晶体管源端连接不对称微带十字型结的示意图。图中微带十字结由 两段串联分支线( 微带线线l 、4 ) 和两段并联分支线( 微带线2 、3 ) 构成，各段传输线的特 性阻抗z 、电长度e l 均不相等，为待定的数值。信号源的输出端和晶体管的输出端均 接5 0 q 传输线。 图3 5 不对称微带十字型结匹配源端 以匹配晶体管的s 参数为例，放大器在无输入匹配电路时，其s 。曲线通常如图3 6 所示。 图3 6 未接匹配电路时放大器的s 曲线 图中实线代表该晶体管从频率石到频率正的s ，曲线，其中彳 、j 7 、_ 一 ，m 1 一 n js o p t = 0 。5 5 3f - 7 3 5 3 3 a e d a n c e = z 0 f o 6 9 9 i 1 9 ) 图3 1 1 最佳源阻抗的共轭复数随频率扫描曲线 晶体管的输入驻波比为： ( v s 帆卜剞 即i 焉l ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 根据系统总体噪声系数的公式，低噪声放大器在满足低噪声系数的同时，也需要满 足合适的增益。为此，在s m i t h 圆图上同时做出所需频段的等噪声系数圆和等增益圆， 对两个参量进行折中，描绘出折中后的源阻抗曲线，依据此曲线进行阻抗匹配。 当输入匹配网络设计好大概数值后，对电路进行仿真、优化。a d s 里常用两种优化 算法，一种是随机算法，适合大范围搜索，另一种是梯度算法，适合局部收敛。将输入 匹配网络中十字型结的特性阻抗和电长度设为变量，首先采用随机优化方法，不断修改 变量的范围，再利用梯度算法获得最优的值。输入匹配网络设计完成后，再对s ，曲线 进行共轭匹配来设计输出匹配网络，此时由于晶体管的双向性，晶体管的输入反射系数 将会改变，输入驻波比性能变差，需要对整体电路的各段匹配线参数进行优化。图3 1 2 图3 1 2 低噪声放大器原理图 2 l 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 是该低噪声放大器的原理图。 图3 1 3 是该低噪声放大器的噪声系数和稳定性仿真结果图。图中，噪声系数在 8 - 1 4 g h z 的频率范围内小于0 7 5 d b 。然而，在所需频带的上限和下限，噪声系数的上 升趋势较明显，这和该低噪声放大器采用非平衡方式有关，即采用不对称微带十字型结 设计输入、输出匹配电路，放大器的带宽也只能扩展有限的范围。图中，判断放大器稳 定性的k 因子大于l ，b 因子大于0 ，即放大器在所需频段范围内无条件稳定。 o 9 o 8 塾0 7 o 6 o 5 s t a b m e a s l ：， s t a b e a c