（电磁场与微波技术专业论文）k波段小型化低噪声放大器设计.pdf

硕士论文 k 波段小型化低噪声放大器的设计 摘要 本论文进行了k 波段低噪声放大器的设计，介绍了低噪声放大器的原理电路设计 和版图设计的方法，给出了仿真优化的结果。在设计过程中，针对增益和增益平坦度 的要求，提出了一种改进的负反馈网络，很好地满足了设计指标的要求。 本论文设计的k 波段低噪声放大器( l n a ) 选择g a a sh e m t 管芯，采用了三级 放大的拓扑结构，对各级管芯设计了相应的偏置电路。采用微带线进行了匹配网络的 设计，输入输出均匹配到5 0 欧姆。 为了适当改善放大器的增益平坦度，同时满足增益指标的要求，作者试验了多种 反馈网络形式，找到了一种新的改善电路性能的拓扑结构。这种方法保持第一级放大 电路设计不变，然后在第二级和第三级电路的源极增加由电容和电阻串联构成的反馈 网络。从电路仿真结果来看，这种拓扑结构在保持电路噪声基本不变的前提下，很好 地改善了电路的增益平坦度和输入输出驻波比。最后对版图布局进行了再优化，以得 到最佳的仿真结果。 最后实现的该k 波段低噪声放大器工作在1 9 5 - - 2 1 5g h z ，在工作频带内噪声系 数低于2 d b 、增益超过3 0 d b 、增益平坦度优于+ l d b 、输入输出驻波比小于1 5 ，达到 了设计指标的要求。 关键词：k 波段，高电子迁移率晶体管，低噪声放大器 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h et o t a ld e s i g nf l o wo fak - b a n dl n a t h ec i r c u i td e s i g n , l a y o u td e s i g na n ds i m u l a t i o nr e s u l ta r ei n t r o d u c e d an o v e lf e e d b a c ke o n f i g u r a t i o ni s p r e s e n t e dt oa c h i e v et h er e q u i r e m e n to fg a i na n dg a i nf l a t n e s s ak - b a n dl n ab a s e do ng a a sh e m ti sd e s i g n e d as t r u c t u r ew i t ht h r e ec a s c a d e d c i r c u i t si su s e df o rl o wn o i s ef i g u r e ( n f ) a n d h i g hg a i n b i a sc i r c u i t sa r ed e s i g n e df o re a c h s t a g e m i c r o s t r i pl i n e sa r eu s e df o rm a t c h i n gn e t w o r k s i n p u ta n do u t p u tp o r t sa r eb o t h m a t c h e dt o5 0 q t oi m p r o v et h ec i r c u i t sp e r f o r m a n c e ，af e e d b a c kn e t w o r ki se x p e r i m e n t e dt oo b t a i na b e t t e rg a i nf l a t n e s sa n dae n o u g hg a i n ，a n dan o v e lf e e d b a c kt o p o l o g yi s p r e s e n t e d a f e e d b a c kn e t w o r kc o n s i s t i n go far e s i s t a n c ea n dac a p a c i t a n c ei ns e r i e si sa d d e da tt h e s e c o n da n dt h i r ds t a g e ss o u r c e s ，t h ef i r s ts t a g ea st h es a m ea st h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d f i n a l l y , t h el a y o u ti so p t i m i z e df o rb e s ts i m u l a t i o nr e s u l t a sar e s u l t ，t h ek - b a n dl n aa c h i e v e dal o wn o i s ef i g u r eo fl e s st h a n2d b ，ah i g h s m a l ls i g n a lg a i no fo v e r3 0d b ，ag o o dg a i nf l a t n e s so fl e s st h a n4 - 1d b ，a sw e l la sg o o d i n p u tv s w ra n do u t p u tv s w ro fl e s st h a n1 5f r o m19 5t o21 5g h z ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec i r c u i ts a t i s f i e st h ed e s i g nd e m a n d s k e yw o r d ：k - b a n d ，h e m t ，l n a 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 勿孵年多肋日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 乙年多廊日 硕士论文k 波段小型化低噪声放大器的设计 1 绪论 2 0 世纪4 0 年代以来，微波在电子武器的发展过程中，进而到商用和民用系统中， 都是最为活跃和最富成果的应用技术，固态器件和微波集成电路的发展使得微波元部 件乃至整个微波系统沿着波导电路一微波混合集成电路一微波单片集成电路的技术 路线向前发展【l 】。 近年来随着微波、毫米波技术的迅速发展，微波通信、导航、制导、卫星通信以 及军事电子对抗战和雷达等领域对放大器件的需求量也越来越大。特别是由于无线电 通信频率资源的日益紧张，分配到各类通信系统的频率间隔越来越密，这对接收系统 前端的器件，尤其是低噪声放大器件，提出了更高的要求，以减小不需要的干扰因素， 放大接收到的有用信号。另一方面，由于新材料、新工艺的不断出现，以及半导体技 术的迅速发展，各种新的射频模块层出不穷，使得微波、毫米波有源电路的研制周期 不断缩短，且电路集成度越来越高，体积越来越小。因此，为了适应未来形势的发展 需要，我们有必要缩短研制设计周期，研制高性能、低噪声、小体积的微波放大器件， 这已是目前国内国际各个应用领域的关键环节之一【3 】。 1 1低噪声放大器的研究意义 近年来，随着无线通信的发展，由于低频段频率的拥挤，电路逐渐向频段高端发 展。因此，毫米波技术得到了迅速发展。毫米波通讯、精确武器制导等技术对k 波 段毫米波集成接收前端有大量的需求。 微波接收机主要的电路组件包含低噪声放大器、带通滤波器、混频器与解调器。 在接收系统中，低噪声放大器总是处于前端的位置。整个接收系统的噪声取决于低噪 声放大器的噪声。与普通放大器相比，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；另一方面放大系统的信号，保证系统工作的正常运行。可以不夸 张的说，低噪声放大器的性能不仅制约了整个接收系统的性能，而且，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、低噪声的放 大器，已经成为微波系统设计中的核心技术之一。 k 波段低噪声放大器目前有两方面的应用。首先是微波军事应用，广泛应用于卫 星通信、卫星有效载荷、雷达、航空航天以及其它系统装备中。其次k 波段l n a 也 开始在商业上应用。主要应用于l m d s 、点对点无线通信、点对多点无线通信、空中 交通管理、汽车防撞雷达、公路交通控制及仪表应用等。 1 绪论硕士学位论文 1 2 低噪声放大器的发展情况 由于放大器在各类微波系统中的重要作用，近一、二十年来，国外对于这类器件 的投入和研究都很多。随着集成度和微波工艺的迅速提高，人们对放大器件的性能指 标也提出了更高的要求。为了适应更为广泛的情况，宽频带、低噪声的放大器越来越 受到人们的青睐。国外，对于低噪声放大器，已经可以做到最高频率为5 0 g h z 的产品。 由于通频带设计上的困难，5 0 g h z 带宽的低噪声放大器，是按频段划分实现的。如， 2 g h z 4 g h z 内的通带低噪声放大器，1 g h z - 1 8 g h z 带内的产品等等【4 】。 在制作工艺方面，国际上普遍采用的是薄膜和厚膜工艺。国外较先进的方法是前 期分析，仿真，制作模板，后期利用全软件控制，智能无人流水线作业，单模块集成， 一次成型，以免去高昂的人工费用。而且，由于现在的微波应用对于体积的要求是越 小越好，因此，如何减小放大器的体积也成为现在微波技术的关键之一。目前，国际 上流行的做法是提高集成度以减小电路尺寸，比如，随着半导体工艺的飞速发展以及 厚薄膜工艺的应用，w 多 i - 大多采用高度集成的单片集成电路( m m i c ) 的形式，或者是 利用共晶微组装工艺。对于低噪声放大器，随着要求的提高，人们己经不满足于利用 模块来实现低噪声的指标，现在比较通用的做法是采用极低噪声系数的场效应管或者 是场效应管芯亦或是高电子迁移率的晶体管来实现噪声参数的指标。当然，采用哪种 工艺和工作频带以及半导体工艺的发展状况有密不可分的关系，不管采用何种制作工 艺，整个低噪声放大器的体积和管子或管芯的体积密切相连。全自动控制生产线是一 种技术含量比较高的生产线，需要比较成熟稳定的底版、较高的集成度和强大的自我 修正功能。但是，只要以上三个关键的环节中某一个出现问题，都不会生产出质量较 好的产品。研制全自动的生产线，这和国外发达国家，特别是欧美等地人力资源短缺、 劳动力价值高的实际情况分不开的。而在共晶工艺中，指标的最后调试部分是需要人 工来完成的，在频率的高端，由于许多寄生参数的影响，某些要求利用人工调试，使 产品稳定性、可靠性得到保证。因此，全自动生产工艺和共晶微组装半自动工艺是各 有优缺点的【3 6 1 。 1 3 本论文的研究内容- 本论文围绕低噪声放大器的仿真设计和性能优化而展开理论研究和电路设计工 作，具体如下： 第一章主要介绍了l n a 的发展及应用。 第二章主要介绍了低噪声放大器的技术指标，根据设计指标，对低噪声放 大器的设计原则设计特点进行了探讨。 第三章论述了k 波段低噪声放大器的具体设计方案，采用了三级放大的拓 2 硕士论文 k 波段小型化低噪声放大器的设计 扑结构，对各级管芯设计了相应的偏置电路，输入匹配、级间匹配 和输出匹配设计了针对性的匹配网络，实现了低噪声、高增益、良 好的增益平坦度。 第四章对低噪声放大器进行改进，采用改进的负反馈网络，改善了增益平 坦度，而且进行了整体电路的原理图和版图的优化设计。 3 2 低噪声放大器设计原理硕士论文 2 低噪声放大器设计原理 作为有源相控阵雷达t r 组件中关键电路之一的低噪声放大器在任何微波接收系 统中都处于前端位置，这是因为微波系统的噪声系数基本上取决于前级放大器的噪声 系数，所以低噪声放大器是接收系统中相当重要的部件。 2 1低噪声放大器主要技术指标及定义【1 】 低噪声放大器的技术指标项目比较多，首先对其主要指标加以分析。 2 1 1噪声系数与噪声温度 一个微波放大器，即使在没有输入信号的情况下也能测到微小的输出信号。这种 微小的输出功率称之为放大器的噪声。任何微波部件的噪声系数脬定义如下： n f ：叁阜 ( 2 1 1 1 ) s 附| n 叫 一 式中，黾，l 分别是低噪声放大器输入端的信号功率和噪声功率； 只叫，o w 分别是低噪声放大器输出端的信号功率和噪声功率。 从式( 2 1 1 1 ) 可以看出，噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于 放大器产生噪声，使信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。 随着微波晶体管工艺技术的进步，场效应晶体管m e s f e t 和高电子迁移率晶体管 h e m t 的噪声系数不断下降。当放大器的噪声系数很小时，用噪声系数表示方法很不 方便，因此改用等效噪声温度的表示方法。放大器的等效噪声温度z 的定义是：将实 际放大器产生的噪声输出功率折算到放大器的输入端口上，并将它看成是完全由信号 源内阻产生的噪声功率时，信号源内阻应具有的等效噪声温度z ，这个温度z 就是放 大器的等效噪声温度。 在实际应用中，在单级放大不能满足增益要求时，就必须采用多级级联的放大形 式，这时需要根据各级电路的增益和噪声系数计算总的噪声系数，其噪声系数表达式 为： n f ：悃+ n f 2 - 1 + 丝立+ 墨粤+ ( 2 112 ) g ig l g 2g i g 2 g 3 式中，暇( n _ l ，2 ，3 ，4 ) 分别是第1 ，2 ，3 ，4 级的噪声系数； g j ( i 1 ，2 ，3 ) 分别是第1 ，2 ，3 级的功率增益。 如果多个放大器是理想一样的， 有崛= 峨= = n f ， 且 g l = g 2 = = q = g ，上式可以简化为 硕士论文k 波段小型化低噪声放大器的设计 n f ：1 + n f i - f 1 ( 2 1 1 3 ) 1 一土 g 但是，当满足最小噪声设计要求时，它的源阻抗必然有一定的失配，从而导致整 个放大器的增益下降，输入存在回波。因此低噪声放大器设计中一个关键就是合理地 选取匹配点，既有较小的噪声系数，又保证了一定的增益。 2 1 2 功率增益、相关增益与增益平坦度【1 0 l 微波晶体管放大器的功率增益与晶体管输入、输出端所接负载有关。图2 1 2 1 表 示晶体管放大器作为二端口网络的方框图。微波放大器功率增益有多种定义。 v z l 1 、实际功率增益g p ，定义为负载所吸收的功率置和输入功率圪之比。即 q = 毫= 尚黜蒜 眨地- 功率增益g ，与晶体管s 参数及负载反射系数有关。因此，用此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 ，定义为负载吸收的功率与信号源输出的资用功率之比， 即 q = 号= 甓瓣 汜他 1 1 1 吗2 r i ，1 2l l r 加r ，1 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。 3 、资用功率增益g 4 ，定义为负载吸收的资用功率置。与信号源输出的资用功率乞 之比。它是在放大器输入和输出端分别实现共轭匹配的特殊情况下，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。 q = 每= 孝裂端 2 3 ， 4 、三种功率增益之间的联系 5 2 低噪声放大器设计原理硕士论文 q g r ( 2 1 2 4 ) 笼黯， 汜丫 1 1 一r 加r ，i 二 ，、 旭：型掣掣 1 1 一r 工r 。眦l 。 一般情况下，m l 1 ，m 2 1 ，所以g r 益、良好好的增好的增度，良好 的输入益平坦益平坦 的输出 驻波比度 度驻波比 图3 2 i 放大电路整体结构图 根据上述设计考虑和具体的设计方案，整体电路拓扑如图3 3 2 所示： r f i n o - i 图3 2 2 放大电路整体结构图 r f o u t i - o 小型化考虑： 要实现低噪声放大器的小型化，就需要从各个方面考虑，比如考虑级间匹配结 构，微带线弯折走向，器件位置，版图布局等，文中将给予分析和选择。 3k 波段低噪声放大器设计 硕士论文 设计完每一级放大电路后还要进行整体级联的设计，低噪声放大器的连接主要有 如下几种方式【3 7 1 ： 1 、放大器之间共用匹配电路。把前一级的输出阻抗直接匹配到后一级的输入阻 抗。这种方法缺点是设计困难、不易调试。 2 、放大级之间加隔离器。先将各级放大器分别调试匹配好，然后通过隔离器串 连起来。此种方法隔离器需要另外设计，占用体积较大。 3 、放大器之间不加隔离器直接级联。也是先把各级放大器分别调试匹配好，再 将各级放大器级联，体积不大，但级联后需作优化调试。 本论文设计的是三级低噪声放大器，综合考虑设计的关键技术，采用第三种级联 方式，每一级分别设计输入输出匹配，方便设计与调试，分别匹配至5 0 1 2 特性阻抗， 级联后作进一步优化调试。 对于微波高频段微带电路，基板介电常数的高低直接影响电路尺寸的大小。对于 不同频率的电路应采用相应的基板。例如，对于频率为1 2 g h z 以上的电路，为了避 免尺寸过小时的工艺力n - r - 及调试困难，多数选用低介电常数基板，但随着工艺水平的 提高，也可以采用介电常数相对较高一点的基板。 综合考虑各种因素，本k 波段低噪声放大器的设计中，选用介电常数为2 2 ，厚 度为0 2 5 4 毫米，介质损耗较小的r t d u r i o d5 8 8 0 作为介质基板。 3 3l n a 电路稳定性设计 放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。这一点对于微 波电路非常的重要，因为微波电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的倾向。 放大器的稳定性取决于晶体管的s 参数、匹配网络以偏置条件。因为晶体管存在内部 反馈，s 1 2 就表示内部反馈量，它是电压波的反向传输系数。s 1 2 越大，内部反馈越强。 反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚至产生自激振荡【3 6 】。s 2 l 代 表电压波的正向传输系数，也就是放大倍数。s 2 l 越大，则放大以后的功率越强。在 同样的反馈系数s 1 2 的情况下，s 2 l 越大，当然反馈的功率也越强，因此s 2 l 也影响放 大器的稳定性。二端口网络中，当输入或输出端口呈现负阻时，有可能发生振荡。 3 3 1 绝对稳定条件【2 l 】 对于各种无源负载和信号源的阻抗，如果网络的输入和输出阻抗的实部均大于 零，那么该网络在给定频率内是绝对稳定的。假设网络某一端口的输入阻抗为 z 爿汁j x ，这个端口对参考阻抗z n 的反射系数r 为： 1 2 f =生量：r - z o + i x z z or 七z q 1 x ( 3 3 1 1 ) 硕士论文 k 波段小型化低噪声放大器的设计 反射系数的模为： iri ( 3 3 1 2 ) 当输入阻抗的实部r 为正值，上式反射系数的模i r i 1 t 2 1 1 。因此，端口绝对稳定的条件可用其反射系数的模表示为： l r i 1 ( 3 3 1 4 ) 因此，网络绝对稳定和不稳定的边界条件是网络某端口的反射系数的模等于1 ， 即： i f l _ 1 ( 3 3 1 5 ) 为了方便地知道一个给定了s 参数的晶体管的稳定与否，我们需要一个更为方便 的判别公式。公式( 3 3 1 6 ) ( 3 3 1 7 ) 给定反射系数的计算公式，我们令 ir 肼hs , t + 糌i l( 3 3 一6 ) i l = + 两s , 2 s 2 忑, r si 1 ( 3 3 一1 7 ) i rl i 墨2 岛li ( 3 3 1 1 1 ) k ：! 二! 墨! ! ：二! 圣2 ：! 三! 垒 1 2l 墨2 s 2 。i 式中= 墨。一s l ：岛l 。只有同时满足上面三个条件，二端口网络才是绝对稳定的。 其中只要有任何一个条件不满足，二端口网络都是潜在不稳定的。 3 3 2 稳定判别圆 通常我们可以用图解法来分析晶体管的稳定与否【2 3 1 。首先分别确定l 和l 的取 值范围，使相对应的i ki = 1 和ir o 岍i = 1 。根据( 3 3 1 6 ) 和( 3 3 1 7 7 有 i r 肼h s , l + 糌i ( 3 3 - 2 1 ) 1 3 3k 波段低噪声放大器设计硕士论文 i h + 而s n s 面2 1 r s i 令其幅值等于1 ，并从中解出b 和l 的值，可以得到下面的公式： 卜一黯制a = l 高鲁la 1 2 1 1r 工 lj 2 21 2 一l 1 2ll | s 2 21 2 一 l xs 一爵等a l _ l 莆剥a1 2 一i 1 2l - | 1 墨。1 2 一i 1 2l ( 3 3 2 2 ) ( 3 3 2 3 ) ( 3 3 2 4 ) 从上式可以看出b 和r 工的解均在圆上，将此圆称之为稳定圆。这样，在l 和l 的平面上，使ikl = 1 和l l 忻l = i 的圆半径和圆心便可以得到，即： 使i i = 1 的l 的值( 输入稳定圆) ： 吃2 ( 半径)( 3 3 2 5 ) 凡= 等等 c 酗， 3 2 6 ) 使lr d 盱i _ 1 的l 的值( 输出稳定圆) ： 咯2 ( 半径)( 3 3 2 7 ) 风= 器等 c 酗，3 2 8 ) 将二端口器件在某一频率上的s 参数代入上式，可以算出半径和圆心，并在s m i t h 圆图上画出该圆，能使i i = 1 和ir a 忻l = 1 的l 和l 的取值就可以很清楚地看出来。 在l 的平面上，稳定圆边界的一边，有i ki l 。同理，在l 的 平面上，稳定圆边界的一边，有ir o 叮i l 。 判别是稳定圆的稳定区域，以r ：平面为例，可以取点z 。= z 。，即s m i t h 圆图的 圆心，该点l = 0 ，且有lk i = ls 。l 。如果s 。的幅值小于1 ，有lkl 1 ，则刚好相反，s m i t h 圆图中心处于非稳定工作点。对l 平 面同样如此。图3 3 2 1 所示的就是r 工平面稳定区域的判别。 1 4 砸上论文 k 波段小型化低噪声故大器的设计 n n = 1 n 。= 1 宣阻 阴影郝分为稳定区域 图3 321 圆凹上r 平面的稳定区域 3 3 3 稳定电路设计实现 本次设计利用m i t s u b i s h i 的m g f 4 9 5 3 b 与m g f 4 9 6 1 bh e m t 管：占实现k 波 段1 95 2 15 g h z 低噪声功率放大器，两款管芯电参数分别如图333 l 和图3 332 。 封33 31m g f 4 9 5 3 b 电特性参数 幽3332m g f 4 9 6 1 b 电特性参数 首先需要考虑管芯的稳定性。在a d s 仿真软件中，若电路稳定应该满足 s 1 1 1 与s t a bm e a s 0 同时成立，或者在旧，i i ( 或者m u p f i m e 1 ) 成立【“i 。 如图3 71 所示，m g f 4 9 5 3 b 管芯在频率范围i 2 6 g h z 范围内，s t a b m e a s 0 成立，但s t a b f a c t 1 在频段内是不成立的。因此管芯不稳定。 3k 波段噪声放 8 设计 硕论女 f r e qg h z f m ag h z ( a )( b ) 削3333 m g f 4 9 5 3 b 管芯稳定r e 系数( a ) s t a b f a c t ( b ) s t a b m e a s 改善品体管稳定性的方法士要有咀f 儿种州。j ： l 、负反馈，可以在源授串联 乜阻后接地厝成负反馈，使电路处于稳定状态， 存实际电路r f i ，反馈元件常用微带线来构成。接地方式足n 微带坫板l 打扎，孔难金 属化，使微带和背血地余属层相连，从而形成串接微带负反馈电踏，也可以串联电感， 或直接扣孔搂地。 2 、采用铁氧体隔离器，可以起到很好的稳定作用，隔离起的衰减对噪声性能有 一定的影响。 3 、稳定衰减器，可以在漏极串联电阻或兀型阻性衰减器，通常接在低噪声放大 器末级或未前级输出口。 4 、当放大器频带外增益出现不易消除的增益尖峰时，比如在工作频带外的低端， l ：l r 以使用低端增益衰减网络。 这里选择在源极毫盛微带负反馈电路的力法改善管芯的稳定性。如图3 334 所 示，在源极串联一短路微带线，形成负反馈，同时在漏极使用r l c 井联分支线，经 过反复的调试，使电路处于稳定状卷，且管芯在频带内都是绝对稳定的，图3 335 给出了改善后管芯的稳定性系数。 例3334 故善管芯稳定性电路原理阻 l s o t g l10日uo并 硕士论文k 波段小型化低噪声放大器的设计 m 4 i i 譬u i 了1 u 、j r l s t a b f a c t l = i 1 0 4 0 八 卜l| |f 一 八r 2 一 _ fk m 4 r n 飞 o51 01 5 仃e q g ( a ) ，一 一 i 、 1 5加为 f r e q ，g h z 图3 3 3 5 m g f 4 9 5 3 b 管芯改善后的稳定性系数( a ) s t a b f a e t ( b ) s t a b m e a s 同理来分析m g f 4 9 6 1 b 管芯，如图3 3 3 6 和图3 3 3 7 所示： ，| ， l o 51 0 5笛 仃e q g h z ( a ) 、 书 t 1 | 、 卜、 、_ _ 、j ， o51 01 5为 f r o q ，g h a c o ) 图3 3 3 6 m g f 4 9 6 1 b 管芯稳定性系数( a ) s t a b f a e t ( b ) s t a b m e a s ， 7 l 一弋k 二 o51 5加茜 伽朝，g h z 。 、l 、一， “ 、 v o5 f r e q ，g h z 笛 图3 3 3 7 m g f 4 9 6 1 b 管芯改善后的稳定性系数( a ) s t a b f a e t s t a b m e , a s 只有在微波管处于稳定的情况下我们才能进行匹配电路的设计。在低噪声放大器 的整体优化设计中，对放大器还要做全频段的稳定性分析。 1 7 1田mm至口m苟 i慧止om药 ， 1 1 1 1 1 o imo王oej回 =q何山口母历 l_母m乏a_ i，芍k口bl 3k 波段低噪声放大器设计 硕士论文 3 4偏置网络设计 微波低噪声放大器的直流偏置网络包括有源偏置网络和无源偏置网络，其功能主 要有以下几点【1 】： 1 、提供管芯所需的稳定电压，给管芯提供所需的最大值的电流； 2 、在放大器工作频段以外的频率上，使管芯工作稳定； 3 、去耦滤波作用，滤除由管芯产生的各种高低频信号和谐波； 4 、隔离信号。 一旦选定了放大器的工作状态，就必须确定偏置网络以便为晶体管提供合适的静 态工作点，一般采用无源偏置网络。偏置电路要考虑工作状态，频率响应、稳定性、 损耗【刈。 频率响应：在设计窄带低噪声放大器时，偏置电路对电路性能影响非常小，几乎 可以忽略；在设计宽带低噪声放大器时，或工作频率较高时，偏置电路对电路性能影 响较大，此时，应把偏置电路作为匹配电路的一部分考虑。 稳定性：在放大器设计时，经常会遇到通带外有自激，这种自激使低噪声放大器 不稳定，采用窄带分布参数偏置电路可以有效的抑制微波低噪声放大器的带外自激。 损耗：通常，低噪声放大器的偏置电路中都会加入隔直电容，在设计时要特别关 注隔直电容对电路的损耗，损耗过大，会使输出增益减小。 对于g a a sh e m t ，直流偏置电路根据外加电源可以分为两种：一种是双电源供 电，另一种是单电源供电。所谓双电源供电，是指漏极正电压和栅极负电压分别由正 压和负压两个电源供电。单电源供电也叫自偏压供电，这种供电方式是通过源极的电 阻提升源极和栅极之间的电压到适合的电压值来使晶体管工作在合适的直流偏置下 3 7 , 3 8 单电源供电一般用于微波较低频段，单电源供电电路结构简单，但是对于噪声有 一定影响，这种供电方式一般用于对噪声指标要求不太严格的放大器。双电源供电一 般用于比较高的微波频段，因为它可以在高频段提供较好的噪声特性。在h e m t 源 极没有偏置电路，而在栅极和漏极的传输线上分别提供负压和正压偏置，这样的偏置 方式适合于高功率高效率放大器的设计，而且引入的源极反馈最小，对管芯的参数变 化不会明显，放大器容易稳定。本论文采用的就是正负双电源供州2 4 】，有利于低噪声 设计。 本设计中采用的偏置电路结构如图3 4 1 。 硕士论文 k 波段小型化低噪声放大器的设计 图3 4 1 偏置电路结构图 偏置网络不仅要设定直流工作状态，还要通过高频扼流圈和隔直电容确保直流偏 置与射频信号相互隔离。偏置电路的设计要求在带内直流电源与传输线是信号隔离， 形成滤波网络，滤除r f 信号，尽量只让直流通过。这样，一方面无论何种电源都不 会对放大器的带内特性产生影响，且保证晶体管的匹配电路不受影响；另一方面偏置 电路内有耗元件产生的噪声不会给放大器引入太多额外的噪声。 在栅极偏置电路设计中采用了串联电阻和并联电容的直流偏置网络，在漏极偏置 电路中采用了微带和并联电容的直流偏置网络。通过以4 ( 以是设计频带的中心频 率对应的信号在微带线中的波长) 微带线引入传输线，这里四分之一波长微带是扼流 圈，遏制带外自激或寄生震荡的产生，保证直流电源与传输线之间的信号隔离。也可 用电感代替微带线，以减小放大器面积。 选择合适的工作点，漏极电压v d s = 2 v ，栅极电压v 黟= - 0 1 v 。按照结构搭好偏 置电路并优化各个元件的值，得到选用的h e m t 管芯的栅极和漏极偏置电路如图 3 4 2 。 1 9 3 k 渡段低嘬p 放大器设计 砸论文 图34 2 栅极和漏极偏置网络 对偏置电路进行高频仿真，原理图和得到它对微波高频信弓的衰减特性如图 3 43 和图3 44 所示： 匝臣巫口 图343 偏置电踏的仿真原理图 圈；赢 硕士论文k 波段小型化低噪声放大器的设计 j j _ 、 l n 一 刁 m 1 e q = 2 0 5 0 g h z b ( s ( 2 1 ) ) i 一6 2 2 2 e q = 2 1 5 0 g h z b ( s ( 2 。1 ) ) - - 2 6 6 2 m 2 m 气 、覃 ) 。 ，。 ， 、， 啪 t 1 81 9 f r e q g h z 图3 4 4 偏置电路的高频衰减特性 由图3 4 4 可以看出，在频带内，偏置电路的对高频信号的衰减最好能达到6 2 d b ， 完全满足设计要求。 第二级和第三级电路的直流偏置网络也采用同样的结构，分别在栅极加负电压和 漏极加正电压。设计根据晶体管工作的最佳偏置点，漏极和栅极的电压设计偏置电路 中微带的值。放大器设计时，尽量选用同样的工作点达到预期理想的设计性能，这样 方便放大器的加电设计，同时也更加符合我们工程实际应用。 3 5第一级放大电路的设计 匹配电路的选择实际就是匹配网络拓扑结构的选择。要实现最大的功率传输必须 使负载阻抗和源阻抗相匹配。实现这种匹配的方法就是在源和负载之间再插入一个无 源网络，这种无源网络就是匹配网络。然而，匹配网络的作用不仅限于为实现理想功 率传输而在源和负载之间进行阻抗匹配，它还具有其它功能，如减小噪声干扰，提高 功率容量和提高频率响应的线性度等。对于低噪声放大器的设计，我们需要的是最小 的噪声系数，而且需要电路有一定的增益和输出功率。其主要作用有：提高有源器件 在工作频段的稳定性，降低电路的噪声系数和输入输出反射和提高电路的输出功率。 匹配网络包括分立元件匹配网络及微带匹配网络。分立元件匹配网络主要由电容 电感等元件组成，一般用于g h z 的低端或者更低的频段，如2 0 g h z 以下。微带匹配 网络在低频段的尺寸较大，但在高频段的尺寸较小，如2 0 g h z 以上的设计通常就采 用微带匹配网络进行设计。本文也采用微带匹配网络进行设计。 2 l 3k 波段低噪声放大器设计 硕士论文 3 5 1 输入端噪声匹配设计 据噪声理论，低噪声放大器的噪声系数主要由第一级放大器决定，因此第一级输 入端需要用最小噪声度量匹配。输入端匹配网络的任务，归结起来是把晶体管呈现的 复数阻抗变换为信源实数阻抗( 即5 0 q 电阻性的源阻抗) 。图3 5 1 1 是输入匹配电路 两端的阻抗关系。匹配电路输出端的视入阻抗z 叫应等于最佳噪声源阻抗z 倒，这样 即可使放大器获得最佳噪声，用反射系数形式表示时，应满足l 。= r o 瞳。如果为了 获得最大功率增益，则应该使乙= z 砌，z n ，是场效应管的输入阻抗，此式表示输 入匹配电路和管芯达到共轭匹配。因此输入匹配网络在最小噪声匹配的时候，总是失 配的，不能保证其增益最大，在实际设计时可以考虑折中选取噪声和增益，以达到既 有足够的增益，又保证了较低的噪声。 图3 5 1 1 输入匹配网络 输入匹配电路的微带结构，在原则上可以分为并联导纳型和阻抗变换型【l l ，4 l 】。 ( 1 ) 并联导纳型 图3 5 i 2 是几种典型的并联导纳型匹配电路的基本单元，也称为并联微带分支结 构。这几种电路都是利用一段串接微带传输线( 或称移相线段) 进行导纳变换，然后 并联成一个微带分支线。微带分支线的终端开路或短路，用它的输入导纳作为补偿电 纳，以达到电路匹配。 例如图3 5 1 2 ( a ) 所示匹配电路的第2 端，右视是一个复数阻抗z ，将它的归一 化值经传输线，变换为( 1 弘) ，再并联一个输入导纳为弘的分支线即可抵消虚部， 达到与风匹配。 一砰 ( a )嘞( c ) ( e ) 图3 5 i 2 几种并联导纳式匹配电路( a ) ( e ) 分支线的终端常用开路型，有时所需并联电纳为电感性，若用终端开路分支线， 硕士论文 k 波段小型化低噪声放大器的设计 则分支线长度太大，此时可以改用短路型，就能缩短四分之一波长，如图3 5 1 2 ( b ) 所示。为实现微带的短路，要在基板上打孔，使孔壁金属化，以构成和底面地短接， 结构要复杂一些。 并联十字型微带相当于并联分支线。当要求并联导纳值一定时，十字线结构可比 单分支线稍短或稍细。 ( 2 ) 阻抗变换型 z g 卜土一 堑 塑 卜叫卜上叫 争f 司 e u u 卜_ r 旦二二二卜z z 0 ( c ) l _ 广 1 i 广j 图3 5 1 3 几种常规的阻抗变换型匹配电路( a ) ( f ) 图3 5 1 3 ( a ) 是一种1 4 波长式的阻抗变换器。对匹配器第二端所接的复数导 纳z - - g + 归，先用并联分支结构构成的电纳( 矽) 抵消其虚部，然后利用1 4 波长的 阻抗变换器把电导g 变换到标准信源电导g n = 1 r = 1 5 0 ，即可达到匹配。对于图 3 5 1 3 ( b ) ，则是先用串接微带传输线把负载复数导纳转换到纯电导g 时，再用1 4 波长阻抗变换器进行实阻抗变换。 阻抗变换器并不一定是用整数1 4 波长线段，而是经常使用更短的串接短线，尤 其在频率较低的波段，这样可以获得较小的尺寸。图3 5 1 3 ( e ) 是一段短微带线段， 只要它的长度，和特性阻抗z n 满足一定条件，就能把复数阻抗匹配到实数信源阻抗。 若用一段短线不能满足匹配条件时，可用两段短线来解决。 实际上，上述基本匹配单元往往是综合使用，各微带线的特性阻抗和长度是依靠 计算机辅助设计软件进行最优化设计得来，它是综合优化的结果，因此微带线电路的 外形往往千差万别。但是计算机辅助设计并不改变微带匹配电路的拓扑结构。电路拓 扑是由设计人员按照原理选择确定的。初始拓扑的优劣往往是能否获得良好放大器特 性的关键。 一 3 5 2 输出电路匹配设计， 输出匹配网络的基本任务是把微波管复数输出阻抗匹配到负载实数阻抗5 0 q 。图 3 5 2 1 是输出匹配电路两端的阻抗关系。匹配电路输入端的视入阻抗z 。应等于场效 y 丝q 3k 波段低噪声放大器设计 硕士论文 应管输出阻抗乙的共轭，用反射系数形式表示时，应满足l = 巧。这样增益匹配方 式可使放大器获得最大功率增益，这也是输出匹配网络的主要目的。 图3 5 2 1 输出匹配网络 输出匹配电路应解决的目标有以下几项【i l ，4 3 l ： 1 、提高增益。当输出电路与管芯达到共轭匹配时，即z = z ：时，功率增益最 高。由于放大器具有一定宽度的工作频带，不可能全频带内都达到共轭匹配，尤其是 对于存在潜在不稳定的微波管更不可能达到共轭匹配。因此输出匹配电路设计的目标 是在保持稳定的前提下有尽可能高的增益。 2 、改善增益平坦度。微波晶体管的自身增益都是随频率升高而下降。下降比例 大体上是每倍频程下降6 d b 。放大器前两级的主要目标是最佳噪声匹配，因此频带内 功率增益随频率变化曲线是向右下倾斜，因而末级放大增益特性曲线必须向右上倾斜 才能弥补整个放大器增益的不平度。匹配的时候可以适当地从中心频率向高频端偏 移，这样可以利用对低频端的衰减改善增益平坦度。 有时为了获得良好频带特性，还可以加陷波电路或吸收电路。即一段办4 的终 端开路微带线，并联在输出电路的任意处，办是待吸收频率的波长。陷波电路只能 适当调整频带形状，它是电抗性单元，只能用于末级或末前级，不能用于前级，否则 相位不合适时会使输入驻波比变坏，甚至放大器不稳定。 3 、满足放大器输出驻波比。输出驻波比的指标主要靠输出匹配电路解决。由于 晶体管的最，要比s 小，所以输出容易达到良好匹配，得到很小的输出驻波比。但与 此同时，可能会影响增益平坦度的指标，实际设计中，要根据情况优化设计，以兼顾 两项指标。 4 、改善放大器稳定性。前述匹配电路大都是电抗性匹配。如果加入电阻就成为 有耗匹配。在主微带线上并联电阻尺，电阻r 后面再接一段的微带线，微带线终端通 过电容c 构成微波接地。接地是用基片上的通孔实现的，孔壁金属化以后和底面金属 连通。气是频带内高端频率工的波长。在频率z 时，由于屯4 的作用，电阻无损耗； 在频率低于z 时，相当于在主线上并联一个包含电阻损耗的分支电路。频率偏离兀越 多，损耗越大，增益就越低。 通过对尺阻值和分支微带特性阻抗z ，的调整，可以控制频带形状和对增益压缩 硕士论文 k 波段小型化低噪声放大器的设计 的大小，这样就能使倾斜增益得以校正，而且对带外增益抑制很多。由于有阻性损耗， 就比纯电抗匹配法对驻波比的影响小，更有利于改善输出驻波比。有耗网络匹配方法， 将对放大电路引入电阻热噪声，因此，只能用于输出电路，不能用于前级。由于后级 放大器对整机噪声影响不是很大，因此，设计最后一级时主要考虑增益和驻波比。对 输出端进行共轭匹配，其匹配方法与输入匹配网络类似。 3 5 3 第一级放大电路实现 在本次设计中每一级放大器都设计成各自都带有输入输出匹配网络，单级输 输出端都