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四川大学锦城学院本科毕业论文 X波段的LNA的研制X波段的LNA的研制专业：电子信息工程（电子信息科学与技术）学生：彭丰 指导老师：李丽华摘 要 近年来，随着通信技术以惊人的速度发展，无线通信更呈现爆炸性增长，这种发展趋势将射频技术摆在了重要的位置。而在几乎所有的通信系统的发射机和接收机上都必须借助各种电子线路对携有信息的电信号进行变换和处理。低噪声放大器（LNA）就是这种对电子信号进行处理和变换的器件之一。由于其低噪声的特性，一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。 本文主要介绍了LNA的相关设计方法和理论，通过理论的分析，结合ADS对LNA的噪声性能以及稳定性进行分析和研究，将理论知识与仿真软件结合起来详细描述了11.8GHz至12.2GHz频段的低噪声放大器的放大原理和设计流程。通过对于晶体管NE3210S-01的技术文档的分析，本文详细讨论了对于其直流偏置电路的设计，和输入输出匹配的设计流程，并对其中存在的潜在问题，进行了全面深入的讨论分析。对用史密斯圆图实现输入输出匹配以及高阻线、扇形线等微波元件的作用进行了深入探讨。描述了对低噪声放大器放大晶体管的选择，以及将理论设计转化到硬件电路的流程。运用Protel将理论的电路转化为实际加工电路图，对硬件电路设计的过程中遇到的问题进行分析，并提出对应的解决办法。腔体运用SolidWorks设计，生成爆炸式工程图加工，将平面加工工程图转化为3D立体图，更直观的展示出腔体的特性。最后论文对整个设计流程做了简单的总结，并就调试过程中存在的一些问题进行了分析和探讨。关键词：低噪声放大器 稳定性 输入输出匹配网络 史密斯圆图THE X-band Low Noise AmplifierMajor: Electronic and Information Engineering(Electronic Information Science and Technology)Student：Peng Feng Supervisor：Li LiHuaAbstractIn recent years,communication technology with amazing speed development,and wireless communication more present explosive growth.This development trend will let the technology in the important position.But also in almost all of the transmitter of communication system and receiver,must recur to transform and processing in the various of electronic circuit and electrical signals which carry informations.Low noise amplifier (LNA) is this kind of equipment on processing and transformation electronic signal,due to its low noise which is the most important characteristics.This paper mainly introduces the design method and relevant LNA ADS theory and combining with the noise performance of LNA and stability studies,to analyzes the theoretical knowledge and practical,combine detailed descriptions of the software to 12.2 GHz band GHz 11.8 of low noise amplifier theoretical analysis process and design process,focus on the low noise amplifier bias circuits,analysis stability and input/output matching.With Smith of input and output footnote to realize high impedance matching,and NE3210S-01,the principle of microwave components made a detailed analysis and discussion.Describes the amplification transistor choice on low noise amplifier,and will design into a practical process.Using the theory of circuit will into the actual processing of actual circuit diagram by Protel.find out the problems in the course of analysis and the corresponding solution.Shell by using SOLIDWORKS design,and generate explosive engineering drawing processing,realized the transition from theory to practice. Final paper was designed for the whole process,and brief summaries of the existing problems to analyzed and discussed.Keywords：Low noise amplifier stability Smith circle diagram目 录1 导论11.1 选题目的及意义11.2 内容简介22 低噪声放大器理论基础22.1 微带传输线理论22.1.1 特征阻抗32.1.2 反射系数42.1.3 散射参数52.2 史密斯圆图和阻抗匹配62.3 微带高阻线与微带扇形线82.4 低噪声放大器的基本参数92.4.1 工作频带92.4.2 放大器增益102.4.3 驻波比102.4.4 噪声系数103 X波段的低噪声放大器的设计与仿真113.1 晶体管的选择123.2 在ADS中设计直流偏置电路133.3 输入输出匹配以及S参数的仿真153.4 版图设计223.5 使用SolidWorks设计腔体254 总结27参考文献30致 谢31151 导论随着通信行业的需求逐年的增加，人们对于通信的要求日益严密，追求更高速率，更低噪声，更远距离的通信。对于这些日益增长的需求，各个领域都在进行着技术的创新，以达到市场的需求，而其中低噪声放大器就成为其重中之重。1.1 选题目的及意义 在现代微波通讯和射频领域，将弱信号进行放大是通讯电路中普遍存在的电路功能。而在当今的电子领域，半导体技术的迅速发展，微波通讯频段日益紧张，人们将对于低噪声、高性能、高集成度的放大器作为重点的研制对象。 可以理解为，接收天线将空气中传输的微弱的电信号连同由于传输过程中所产生并携带的干扰信号转化为能够通过有线传输的电信号。低噪声放大器就是将这种微弱并且带有干扰的信号中属于我们需要的信号提取出来，但是由于长距离的传输，通常这些信号都是非常微弱的，而市面上一般的放大器，由于其结构等的关系，经过他们放大的电信号同时也会叠加上放大器自身产生的干扰即噪声。放大器放大这种弱信号如果再叠加上如此高的噪声信号再同时放大，将会使后续对于信号处理的功能块很难再将有用信号和噪声区分开来。低噪声放大器（LNA）作为接收机的第一级电路，其目的是对天线接收的信号进行微弱的放大。在放大微弱信号的同时，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。在对信号的接收机中，低噪声放大器由于其低噪声的性能，可以将小信号进行放大的同时尽可能的减少噪声，为后续的放大电路提供一个相对纯净并且有用放大信号，由于这种特殊的性质，低噪声放大器通常位于接收系统的前置放大端刘喜明.基于ADS的X波段低噪声放大器的设计与仿真.中航雷达与电子设备研究院,2008。这样，整个接收系统的噪声很大程度上就由低噪声放大器决定。较之普通的放大器，低噪声放大器既可以将微弱信号进行放大，为后续电路提供一个良好的信号之外，由于其低噪声的性能，低噪声放大器大大降低了其噪声系数从进而降低了整个系统的噪声系数，使系统的杂波干扰减少，从而很好的提高了系统的灵敏度。 可以说低噪声放大器的性能决定着整个接收机的性能，低噪声放大器的参数指标对整个接收机有着决定性影响。因此，要提高接收机的性能必然要提高低噪声放大器的各项参数。目前国内外也正是用这种思路作用在更高性能的各种接收机上，因此研究更高增益，更低噪声系数的低噪声放大器已经成为微波系统的核心技术之一。 研究更高性能的低噪声放大器可以从两个方面入手。一方面选择更高放大倍数，更低噪声系数，具有更好性能的晶体管放大器，这就需要更高的半导体技术和工艺；另一方面做好精准的偏置电路和匹配电路，让晶体管工作在最佳放大状态，既不饱和也不失真，稳定地工作。尽可能的使电路匹配，减少信号通过的损耗、反射等，在提高增益同时减小噪声。 当今大部分射频通信和微波领域放大器其核心都是使用晶体管器件进行信号放大，按功能分类可以分为：微波大功率晶体管及微波低噪声晶体管；按结构分类有：双极性晶体管及场效应晶体管，如Si、SiGe BJT、GaAs HBT、GaAs、InP FET、GaAs HEMT等。本文根据设计需要，选择FET（即场效应晶体管Field Effect Transistor）简称场效应管。根据不同的放大要求、工作频带、噪声系数、回波损耗等选择不同的放大晶体管才能实现电路的最佳性能。1.2 内容简介 本文主要研究和讨论低噪声放大器的放大原理，各个部件的功能以及对整个系统的作用。将11.8GHz-12.2GHz频率的信号进行放大处理，原则上达到7dB的放大倍数，噪声系数小于2dB。 研究初期以ADS软件仿真为基础，进行原理图的仿真、调试及优化。后期用Protel生成可交付工厂进行加工的PCB视图。而腔体的设计则使用SolidWorks制图软件制作。 第二章主要论证了低噪声放大器的基本原理，微带线元件的作用。介绍了微波场效应晶体管的基本理论，低噪声放大器的基本性能指标。对低噪声放大器的噪声系数、稳定性分析、增益等性能参数进行了分析。用史密斯圆图进行输入输出匹配的方法，并提出降低噪声的一系列措施。 第三章主要讲述了利用ADS射频仿真软件对设定的电路原理图进行仿真、优化、微调等的步骤，通过软件仿真验证理论分析的正确性，并对电路原理图进行相应的调整。详细的阐述了低噪声放大器的设计、制作和调试的流程。结合Protel和SolidWorkes简略地描述了版图制作和腔体制作过程。对后期调试中出现的问题进行分析并提出改进措施。 第四章总结整个低噪声放大器的研制过程。就制作出来的产品进行调试，讨论调试过程中出现的问题，并提出解决方法。对理论值和实测值进行比较，讨论之间存在差异的原因，克服措施。2 低噪声放大器理论基础2.1 微带传输线理论 微带线是微波集成电路中最常见的平面传输线，它可以用照相印制工艺来加工，并且它很容易同其它无源和有源的微波器件集成，因此本论文将大量使用微带线来实现电路功能。利用微带线本身的分布参数，可以很好的实现集总参数元件的功能，同时还可以更好的实现匹配，滤波等功能。并且微带线是用印制板技术来加工，不需要再通过焊接，这样也能避免手工焊接出现的一系列诸如：虚焊、漏焊、焊点龟裂、锡珠和锡渣等问题，提高加工效率降低加工难度。 利用微带线，高频信号能进行更为高效的传输，同时微带线自身的分布参数能和其它的固件如：电感、电容等构成匹配网络，使信号能很好的和负载进行匹配，减少损耗。2.1.1 特征阻抗 微带线是位于接地层上由电解质材料来隔开的印制线。它的厚度、宽度以及电介质的介电常数等参数改变着它的特性阻抗，通过调节微带线的这些参数，就可以很方便地调节其阻抗的大小，长度更是对其呈现感性或者容性有着至关重要的影响。而信号通过微带线产生的传输延时则由介电常数决定，再次本文重点讨论其特性阻抗，并不涉及对传输延时的要求，这里将不做详解。 假设微带线的基板厚度为h，相对介电常数为r，在实际工程中，大多数的介质基片非常薄，所以构成了基板厚度远远小于波长的条件，故微带传输线中传输的场为标准的TEM模喻梦霞、李桂萍.微波固态电路.电子科技大学,2008:39-98。因此相速、传播速度和特性阻抗可以由静态或准静态获得，故其特性阻抗可以有如下表示：（2.1.1）（2.1.2）其中： ：为传输线的特性阻抗； C ：是对应有介质材料的微带线的分布电容值；Ca ：是对应单位长度的微带线将其介质材料换为空气而求得的电容值；：空气中的介电常数；式中：（2.1.3）假设一段长度为L的传输线如下图示：图1：微带传输线示意图：为特性阻抗（特征阻抗）由图可知，任意两点之间的电压都是由入射波与反射波电压进行叠加的，所以有下列表达式：（2.1.4）按照无线电波的知识可知，信号的一个波长的相移为，所以相移常数，电长度为。特征阻抗一般为实数，但如果传输线是有损耗的则其特征阻抗为复数。对于无损耗的传输线有：， （2.1.5）将（2.1.4）中的用来表示则有下式：（2.1.6）（2.1.7）将（2.1.4）式代入(2.1.7)则得到：（2.1.8）而对于四分之一波长微带线，在微波方面有着极为广泛的应用。信号在微带线中传输呈现波状，这就意味着在一根相当长的直微带线上，同个频点的微带线是以波的特征来传输的。这样，在微带线上就出现了对应波长的波峰点，波谷点和波节点。四分之一波长微带线正是利用了这种原理，通过四分之一波长，波的特征将发生性质上的变化。原来的波峰通过四分之一波长转化为波节点，波节点通过四分之一波长转化为波谷点。微带线的性质也发生相应的变化，从终端开路点变为终端短路点，负载阻抗从无穷大变为短路的零。利用这些特性，不同结构的四分之一波长微带线在微波电路中能实现不同变换，很好的配合设计达到设计要求。2.1.2 反射系数 电压反射系数（）实际上就是入射电压和反射电压的比值，是评估阻抗匹配好与坏的重要参数。电压反射系数一定是小于1的，如：（2.1.9）终端反射系数即L=0，代入（2.1.1）式即得到终端反射系数：（2.1,10）电流反射系数刚好与电压反射系数相反。由于传输线的上述特性，所以存在下列几种特列：A：终端短路：B：终端开路：C：匹配：D：终端为感性： E：终端为容性：其中D、E不消耗能量。2.1.3 散射参数不同于低频网络，微波系统由于其工作在微波段，实际电路的尺寸与微波波长差异不大，故微波在微波电路中传输会在传输线上产生分布电容、分布电感等参量，分析微波电路将存在对微波电场和磁场的分析。图2：线性二端网络在微波系统中，信号和能量是两个主要研究的问题。微波系统是分布参数电路，所以主要采用场分析法。简化的场分析法就叫做网络分析法，被广泛的用于微波系统的分析。将实际的微波系统简化为微波网络，把复杂的场问题转化为路问题。图2为线性二端网络，本文就只讨论单级放大网络，对于多级级联的网络则不满足下列所述：表示当2端口匹配时，1端口的电压反射系数；：表示当1端口匹配时，2端口对1端口的反向电压传输系数；：表示当2端口匹配时，1端口对2端口的正向电压传输系数；：表示当1端口匹配时，2端口的电压反射系数；对于互易网络，有；对于对称型网络，则有；对于无耗网络，则有，。2.2 史密斯圆图和阻抗匹配在一般的电路中，众所周知，当电路的负载电阻与电源电阻相等的时候，负载将获得最大功率。阻抗匹配运用的原理与之相似，所谓的阻抗匹配就是将放大器的特性阻抗通过一定的结构使之变为与微带线特性阻抗相等。这样既可以使放大器得到最大功率同时也不会产生衰减，反射和自激等不利于放大的情况。输入输出匹配有两种形式，一种即是前面所描述到得阻抗匹配，是指的输入输出阻抗的共轭匹配。而另一种匹配是指最佳功率的匹配，由于本设计采用的是阻抗共轭匹配，所以只讨论阻抗的匹配过程。对于放大器，带内增益不一定都能实现。而由于反射的存在，意味着放大器内存在着内反馈，可能造成放大器的不稳定，微波电路在某些特定的频率和终端的条件下可能会产生自激振荡，这点对于微波电路非常重要。而是否产生自激振荡则可以通过等效负阻来判断，如果放大器端口存在负阻，则整个放大电路有可能产生自激振荡，也就是或者。要使晶体管工作在绝对稳定的情况下则必须满足下式：（2.2.1）只有当（2.2.1）式中3个条件都满足的时候，才能保证放大器是工作在绝对稳定的状态。在晶体管处于绝对稳定状态下再进行输入输出的阻抗匹配，或者在反射平面上绘出不稳定区域，并选择和设计能避开不稳定区域的匹配网络。本设计采用史密斯阻抗圆图来进行阻抗匹配。用史密斯圆图来实现阻抗匹配的有两种方法，一种是基于史密斯阻抗圆图来实现阻抗匹配的，而另一种是基于史密斯导纳圆图来实现的阻抗匹配。在史密斯圆图中：(1) 匹配点：，z=1，SWR=1(2) 纯电抗圆、开路点、短路点(3) 纯电阻线(4) 感性与容性半圆(5) r=1圆： 通过匹配点(7) 的相位的标注：周期为半波长，最大相对波长为0.5，相位0o-180o(8) r值的标注：开路点为、短路点为0，匹配点为1；图3：史密斯阻抗圆图史密斯导纳圆图：（1）阻抗圆图转化为导纳圆图即；（2）匹配点不变，纯电阻线变为纯电导线；（3）开路点变为短路点；（4）短路点变为开路点；（5）电抗圆变为电纳圆，电阻圆变为电导圆；（6）上半圆表示b0呈容性，下半圆b1，则说明该晶体管在带内处于稳定状态，可继续后续电路的设计；b) 若K1。图8为晶体管在12GHz的频点下，加上2V，10mA的直流偏置条件后的性能参数，12GHz的噪声系数为0.34dB，远远小于设计要求，能够满足后续电路的设计。综上可知，使用NE3210S01来设计低噪声放大器是能够满足设计指标的，且通过计算得出该晶体管的稳定因子K，在12GHz处是大于1的，这就说明该晶体管在12GHz的频带内是处于绝对稳定的状态。 图8：不同频点的最小噪声系数通过手册可以看出，单级放大足够满足设计需要，故采用单级放大来完成设计。微带电路的电解质材料选择Rogers公司的RO4003（铝基板）。这种材料的相对介电常数为=3.380.05，损耗角正切0.0027。根据制作印制板厂家的工艺要求（不同厂家加工工艺不一定相同，本设计所使用的参数是向加工厂家咨询的结果），基板的厚度为H=0.3mm。3.2 在ADS中设计直流偏置电路在ADS的元件库中找到NE3210S01的元件，发现在ADS自带的元件库中只有晶体管NE3210S01的PH模型而没有其SP模型。也就是说如果使用ADS自带的库中的NE3210S01模型则只能进行直流偏置电路的仿真而不能进行S参数的仿真徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例.电子工业出版社,2009:191-231。所以在进行电路原理图设计之前，应首先准备design kit。随即到NEC公司的官方网站下载由NEC公司提供的适配ADS的design kit如图9，图10所示，并且安装。由于厂家给出的元件库文件更能接近器件的真实特性，所以一般设计都选择直接去生产厂家下载安装元件库，使仿真更靠近真实值。图9：NE3210S01的Design KIT图10：NE3210S01的静态工作点根据NE3210S01的芯片手册，可以确定在12GHz的频点下，静态工作点设置为：漏极电压+2V，栅极-0.4V时，Ids约为10mA，这样晶体管便工作在最佳状态JIN WEI，XU Yong-S heng.BIFET Low Noise Amplifier for Dual Band RF Receiver. Institute of Microelectronics Circuits & System,2000。 电路采用双电源供电，即漏极正电压，源极负电压，分别以正电源和负电源两种电源同时供电。馈电方式选择四分之一波长的高阻线端接70的扇形线，四分之一波长的高阻线用来抑制交流信号对直流电源的影响，70扇形线对高频信号来说，是短路到地，电路中相当于耦合电容，可以滤除高频信号的噪声射频系统的稳定性分析.清华安捷伦微波EDA培训中心,2006。在NE3210SO1晶体管的漏极和源极加上直流偏置电路以及馈线以后如图11所示。图11：直流偏置电路由于整个电路大多数的元件都为微带线，所以在ADS中添加微带线元件时需要添加微带线的工作环境。在ADS中，微带线的仿真环境对应为：MSuB（Microstrip Substrate）。由于设计初期已经确定了电解质材料为Rogers公司的铝基板RO4003，也就确定了MSuB的大部分参数：介电常数为3.3，损耗角为：0.0027。根据铝基板加工厂商的加工工艺，可以确定：基板厚度为：0.8mm，铜箔厚度为：0.05mm，铜箔的介电常数为：5.88E+7。所以得到MSuB的详细参数，如图12所示。图12：MSuB参数设置3.3 输入输出匹配以及S参数的仿真 对于输入输出匹配，ADS自带有计算输入阻抗的元件。考虑到ADS的仿真功能只能从输入和输出端口测试输入阻抗和输出阻抗，所以阻抗匹配电路放于整个放大电路的两端。而为了防止高频电路与直流偏置电路之间的相互影响，所以采用隔直电容来实现隔离直流的方法。在实现输入输出匹配的时候由于高频信号在微带线上会产生相应的寄生参量，会对匹配产生一些不可计算的影响，故本设计将隔离直流的功能用微带线来实现匹配电路设计.清华大学网络教程,2011。这种以微带线实现隔直功能的结构可以称为隔直耦合线，它能够直接从物理上断开通路，阻碍直流信号的通过，而由于它的间隙很小，对交流来说影响不大，而四分之一波长的结构还能够滤除一部分噪声，其结构如下图13所示：图13：隔直耦合电容图14：隔直耦合线本设计的工作频段为X波段，是属于超高频，在如此高的频率下，电路中的元件就不能使用集总参数元件，避免因其自身尺寸产生的寄生参量等对设计产生影响。本设计采用微带线的隔直耦合电容对于直流电路相当于直接断路，能够将直流部分隔开，但由于其铜箔间间距相当近，对高频影响很小。四分之一的波长也可以看成一个小型的滤波器，能够滤除一部分带外噪声。且由于隔直耦合电容本身也属于微带线的范畴，可以与微带电路一并加工，加工工艺一致性很好，避免了加工过程中由于手工焊造成的一系列不可预料的因素。基于这些优点本设计采用微带隔直耦合电容来实现隔离直流的功能。加上为了使匹配更好，故将隔直微带线放在放大晶体管源极和漏极两端，将输入输出匹配的微带线放在最外围。图14为添加了微带隔直耦合线电容后的电路原理图。运用ADS工具自带的工具，在toolLineCalc（微带线计算器）中，根据MSuB中的参数，可以计算出四分之一波长的微带线尺寸，如图15所示。可知四分之一波长的微带线，在铝基板为电解质材料的情况下，以12GHz中心频率特征阻抗为50的微带线：宽度W=1.866350mm，长度L=3.809440mm。介于加工工艺的限制，本设计只保留小数点后两位。图15：微带节支线计算工具图16：史密斯圆图上的对于输入输出的匹配，ADS有自带的匹配模块-Smith Chart Matching即史密斯原图匹配模块，通过它可以很快地得到一个匹配的电路模型，要使用Smith Chart Matching匹配电路则首先要利用元件来计算出输入输出阻抗。这里首先讨论输入匹配。ADS中能求出输入阻抗的方法很多，诸如：微带节支线匹配模块、采用微带线直接优化后微调或者用史密斯原图模块匹配后根据微带节支线结构重建模型等，本设计采用的是将在史密斯圆图中表示出，再标记中心频率12GHz的频点，读出该点在史密斯圆图上的阻抗，如图16所示。可以很容易的读出输入阻抗为：；对应50的特性阻抗可以知道输入阻抗为：；将Smith Chart Matching添加到需要匹配的输入端，连接好以后如图16所示。这样Smith Chart Matching就能生成大致的匹配图。打开DesignGuide中的Filter，选择史密斯圆图计算工具，在负载阻抗文本框中填入之前计算好的输入阻抗。根据匹配线路需要的微带分支选择，直到电路达到匹配即可，如图17所示。图17：输入匹配的Smith Chart Matching对应于微带电路即为图18所示。由计算工具设计出来的微带线是用电长度表示的，这中描述并不是我们期望的，也不能被大部分加工厂商所识别。所以本设计根据图18的微带节支线结构做进一步处理。设计中由于考虑到加工工艺精度和电路结构，将虚部的匹配线设计为终端开路的节支线，这样既可以避免再设计接地线路，也避免了耦合电容的焊接，减少噪声的产生。图18：输入匹配电路根据TLIN可以知道，匹配线的特性阻抗为50，其长度为E，是电长度，所以在转化的时候要将电长度转化为实际的毫米值。电长度到毫米值的转化可以使用ADS自带的微带线计算工具LinCalc。转化后可以看到毫米值的长度LW，这种情况是不允许出现的。前面的设计已经提到W已经非常的小了，L比W更小的话就会出现L的长度可能非常小，根本无法加工，或者加工出来也不利于焊接。所以为了避免这些情况，根据微带线的特点，在隔直耦合线之前加上了半个波长的微带线，改变输入阻抗的值，使之从A-jB变为A+jB。重复上述的匹配步骤，得到输入匹配的最终电路结构如图19所示。为了方便焊接，在匹配电路外围加上了四分之一波长的微带线，至此输入匹配完成。图19：输入匹配电路结构通过在史密斯圆图上带内曲线可以看出，在12GHz频点，输入阻抗达到匹配。如图20所示。对于低噪声放大器最主要的是考虑输入噪声的匹配，所以低噪声是首先考虑的，也就是获得最佳噪声系数。在此基础上再考虑共轭匹配，即输出功率的最大化。所以在设计仿真中，为了达到最佳噪声匹配，共轭匹配会有一点偏差，增益也不一定是最大的。图20：输入匹配后的输出匹配与输入匹配采取同样的方法，即首先用史密斯圆图绘出带内的曲线，mark 频点12GHz，求出输出阻抗。用史密斯圆图匹配工具生成输出匹配的微带结构图。结合生产加工的实际情况调整结构图，使之满足设计要求。在输出匹配的时候，要注意由于输出端口与输入端口相比，存在镜像关系，所以在连接Smith Chart Matchin的时候要注意将输入输出端口对调。在之后的电路原理图中也要注意微带节支线摆放的位置。图21：匹配以后的原理图原理图确定以后，就可以开始进行原理图的仿真了。根据ADS中用于S参数仿真的工具，使用S-Prameter Simulation元件来实现对S参数的仿真，如图22所示。对于设计要求的指标可以使用S参数仿真工具中的StabFac，来测量晶体管是否处于稳定状态李国华.Ku 波段低噪声放大器的设计与仿真.宋保军天津通信广播集团有限公司,2003；VSWR可以测量驻波值；图22：S参数仿真工具a：S参数曲线 b：稳定因子K曲线c：增益曲线 d：驻波曲线e：噪声系数曲线 f：最大增益曲线g：阻抗匹配曲线图23：原理图仿真结果原理图仿真结果如图23所示：可以看出，参数已经基本达到设计指标，阻抗的匹配程度和噪声大小存在着一定的矛盾，要实现输出阻抗的匹配，必然会使输入阻抗失配，反之亦然。这是个相互矛盾，相互制约的情况，所以只有在保证一定的噪声系数的情况下追求较好的增益，这是一个繁复调整的过程。3.4 版图设计ADS实际上具有Layout的功能，但由于加工厂商更偏爱Protel，也就是说如果用ADS直接生成版图文件，有可能会导致加工厂商无法识别其PCB文件而无法加工，或者加工出来的产品与设计值差异很大。对于高频电路，生产精度对电路性能有着很大的影响，一些细微的差别对于低频影响不大，但对于高频电路却是致命的。为了避免这种尺寸上的问题，本设计运用Protel进行原理图的绘制，并送加工，但对ADS本身自带的Layout功能，本设计也做了详细设计。在原理图已经确认的情况下，就可以开始着手PCB板的设计了。运用ADS自带的Layout功能，在版图界面，选择LayoutGenerate/Update layout，即可以得到相应的PCB版图。在版图设计中，在电路四周大面积覆铜是一种很好的措施。这种大面积的覆铜用于接地，为了使铜箔各个位置的电位一致性更好，本设计将接地铜箔上打上密集的过孔，保证各点接地性良好。考虑到伴随着接地位置所产生的寄生效应对高频电路的影响较大，本设计在晶体管源极与地之间加上接地过孔。在与微带线相连接的地方采用T型接头连接，以获得更精确的仿真模型。信号的输入输出端，为了使焊接方便，加上特征阻抗为50的四分之一波长微带线。由于其为四分之一波长的特征，这段为带线对整个放大器来说是没有任何影响的。综合上述步骤，以紧密排列为原则，本设计作出的PCB版图如图24所示：图24：ADS Layout的PCB板图用Protel来绘制的PCB板，由于在Protel工程中并没有相应的原理图，所以在绘制的时候，直接绘制PCB板就行了。图25是使用Protel来绘制的PCB。不像ADS能直接转化，Protel软件没有对应的高频微带元件，对于微带节支线，匹配线，耦合微带线，高阻线和扇形线只能自己动手绘制。在绘制过程中，要严格按照原理图的尺寸设计，并且将接地铜箔尽量远离高频线路（实际工程上应大于0.2mm）避免产生寄生参数邓辉.L波段宽带低噪声小信号放大器的研制.电子科技大学,2007。图25：用Protel绘制的版图绘制版图时还要考虑以后的接头的装配位置等。对于低噪声放大器，由于其自身的特性，工作时电路周围要对各种干扰进行屏蔽，通常的做法是将电路板放入金属屏蔽盒中，这种金属屏蔽盒也就是常用的腔体。对应于腔体的装配，本设计采用将电路板烧结到腔体上，在腔体的侧面留出正负电源接口和射频RF接口，所以本设计不用在电路板上设计安装孔。3.5 使用SolidWorks设计腔体对于低噪声放大器来说，金属屏蔽盒是必须的，而对于金属屏蔽盒的设计软件也有很多选择，本设计采用SolidWorks来制作。SolidWorks是用于机械制图的软件，由于其制图过程是3D效果，更直观和立体，所以本设计采用它来设计制作腔体。图26：腔体的SolidWorks中3D视图当今市面上对于金属腔体的加工工艺比较复杂，都是采用大型机床来加工。微波段器件对于加工精度要求也很高，这就导致了加工成本增加。图26即为腔体加工的3D视图，图27是腔体的爆炸视图。图27：腔体的工程图（爆炸视图）由于经费的限制，本设计对腔体加工就只做到绘制腔体机械制图，而并不涉及腔体的加工和装配。4 总结至此，对于X波段的低噪声放大器设计已全部完成。由于设计中已经结合实际工程以及加工工艺，所以在焊接和组装上不存在什么难度。集总参数元件基本都用微带线元件来替代，所以，焊接上非常简单，将选购好的NE3210S-01焊接上，再在端接电源的地方焊接两个0603的贴片小电容滤除电源噪声，电路板就已完工，加工好的低噪声放大器如图28所示。图28：加工好的铝基板对于腔体的装配，本文设计的是将腔体放在加热台上加热至270摄氏度，在电路板下方以及腔体底部抹上银胶，将板子放入腔体，待银胶充分融化后将腔体取出，待整个腔体冷却就行了。这里要注意RF接口与电路板相接的地方要使用航空导线，否则调试的时候会出现损耗以及噪声很大的情况。 对于调试，由于腔体并没有进行加工，所以，本设计只做了初略的测试。结果与理想值的差距比较大，不过仍然能看到整个滤波器的大致波形。其测试图如图29所示。图29：焊接好的LNA图30：调试中的LNA本设计的目标是在中心频率为12GHz，带宽为400MHz的频段下实现大于8dB的电压增益并且噪声系数小于1dB。通过测试得出噪声系数1.08-1.12dB，略大于理论值。而增益却出现一定的下降，为6.87dB。图31：通过调整后的LNA噪声系数的增加，可能是微带线与放大器管脚接头的地方由于焊接的原因，会产生一定的反射，而焊接的焊锡一定程度上也具有一定的阻抗，与微带线相连接的时候会影响并改变微带线的特性阻抗以及分布参数，造成失配，从而增大了噪声系数。而由于工业加工精度，也会影响一部分参数。实际测试的成品与设计理论值存在偏差，也有一定程度上是由于周围的空间存在着的干扰造成的，这种情况加上屏蔽以后噪声系数得到了改善，噪声系数接近1.08dB。这就说明低噪声放大器适合在一个相对纯净的环境工作。通过一定的措施，调试后的放大器各项参数都得到不同程度的优化，但与理论值始终存在着差距，在今后的设计中，可以再微带线附近添加一些孤立小岛，方便测试的时候对微带电路进行微调和修改。另外，设计中就应对整个放大器成品有整体的模型，避免产生设计后期又重复修改前期设计，增加研发周期。参考文献1刘喜明.基于ADS的X波段低噪声放大器的设计与仿真.中航雷达与电子设备研究院,20082郭欢.低噪声放大器的仿真设计.武汉理工大学信息工程学院,2008 3NEC.X to Ku BAND SUPER LOW NOISE AMPLIFER.NEC,19984喻梦霞，李桂萍.微波固态电路.电子科技大学,2008:39-985徐兴福.ADS射频电路设计与仿真实例.电子工业出版社,2009:191-2316匹配电路设计.清华大学网络教程,20117JIN WEI,XU Yong-S heng.BIFET Low Noise Amplifier for Dual Band RF Receiver. Institute of Microelectronics Circuits & System,20008邓辉.L波段宽带低噪声小信号放大器的研制.电子科技大学,20079射频系统的稳定性分析.清华安捷伦微波EDA培训中心,200610李国华.Ku 波段低噪声放大器的设计与仿真.宋保军天津通信广播集团有限公司,2003致 谢在进行毕业设计的一个多月时间内，我的论文及项目在指导导师李丽华老师的亲切关怀和悉心指导下顺利完成。她严肃的科学态度、严谨的治学精神、精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，李丽华老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向李丽华老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢电子系为我提供的良好的学习、实验、研发和调试的环境，这些设施是本文完成的关键。感谢在我借用实验室设备时电子系老师们得大力支持，是因为你们提供的帮助和支持才能有现在本文的顺利完成。感谢电子系系主任陶老师的督促和帮助，正是因为平时的严格要求，才有了本文系统的理论基础。我还要对在我的学习和毕业设计研究过程中，给予我大力支持和帮助的同学们表示感谢，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。衷心感谢所有帮助我的人！译文中文： 双波段射频接收机中的BiFET低噪声放大器金玮，许永生，石春琦，陶永刚，俞惠，李勇，赖宗声(华东师范大学微电子电路与系统研究所，上海 200062)摘 要本项目描述了一种BiFET结构的低噪声放大器，这种结构通过BIMO程序混合了低噪声的双极性和CMOS的高线性度。通过这种共源极和共栅极的结构，能明显的提高低噪声放大器的性能，并且能够控制两种不同的频率。在1.7mA的偏置电流和5.7mW的低功率损耗的情况下，能够达到极低的噪声系数（1.69dB）、15.9dB的电压增益、-8.5dB的IIP3和-67dB的反相隔离。低噪声放大器通致力于AMS 0.8m的BiCOMS流程，经过优化可以被用于普通的家庭和工厂的无线系统，包括防盗系统。关键词：低噪声放大器 射频芯片 BiFET 结构 双频段接收机 ISM 频段中图分类号 ：TN72212文献标识码 ：A文章编号 ：100529490(2006)0120037204 在现在日益普遍的日常生活中，一般家庭和工厂越来越喜欢远程控制的低功率无线应用包括防盗系统，作为无线接收机的第一块天线，低噪声放大器有着标志性的意义，其噪声系数和线性度直接影响到系统的灵敏度。低噪声放大器的主要功能是提供足够的增益去克服后期阶段性的噪声（比如混频）。而且，提供这个增益只会伴随着尽可能低的噪声。一个低噪声放大器应该是能接收较大信号而不发生畸变。用一句话概括就是，低噪声放大器必须能够同时达到高线性度和低噪声系数。 在本文中，我们采用了串联的BIFET结构，这种结构连同PCS中的先进生产流程被称为下一代无线可携带通讯。利用改进的匹配电路和BIFET的优化配置，本设计的低噪声放大器将会很容易的适用于不同的频率的模块而不用改变其模式或者匹配电路。 工作于434MHz/868MHz的ISM 波段，我们设计的低噪声放大器采用了射频询问接收机芯片的基础模块，这种模块可以被用于家庭和工厂的远程应用程序控制，例如防盗系统。串联BIFET低噪声放大器是验证通过分析和仿真来预测，并且通AMS 0.8m BICMOS来实现混频。1 仿真 通过音频和射频科技的发展，现在世界上出现了被用于各种各样领域的不同的低噪声放大器结构，级联结构是其中最受欢迎的。 1.1传统的低噪声放大器 传统结构的串联结构如图1所示，这种结构被广泛应用于五点系统，因为它具有结构简单、功率损耗低和高增益的特点。图1：a是低噪声放大器的双极共连 b是场效应晶体管的双极共连 下面给出的是一些关于图1中a，b的分析 双极性晶体管或者MOSFET都可以使用下列串联低噪声放大器的电压增益(1.1.1) 当gm是反向双极性晶体管的时候，电压增益会比MOSFET的电压增益大。双极性晶体管通过M2或者Q2被用于减小输入输出调谐，降低对于晶体管栅极与源极间电流的影响。双极并联的时候输出阻抗非常高，相当于反向隔离。无论是外差接收机还是超外差接收机，高反向隔离都可以减少L0的传输辐射和混频干扰而破坏系统信号。1.2 BIFET 的配置 经优化后的传统串联双极性结构如图示，提出了对BIFET的低噪声放大器的输入匹配电路。 由于高隔离的输入输出，噪声系数通常由输入端和系统的线性度来决定，而系统的线性度是由输出端决定的。图2是改进了传统性能的双级联BIFET低噪声放大器。图2：具有BIFET和MOSFET的双极性低噪声放大器固有特性的双极MOS器件，双极设备一般都具有非常好的噪声系数。而MOS器件可以实现更高的线性关系。进一步分析如下：（1.1.2）（1.1.3）（1.1.4）MOS晶体管M2 在图1b中是有效的，当足够大的时候可以使Vds小于Vgs-Vt。（1.1.4）说明Q2 工作在晶体管区域，若比（1.1.4）大的话，就意味着这个低噪声放大器会出现信号的失真。同样的，双极晶体管工作在饱和区的时候，对于双极晶体管，它会工作在饱和区域Vce 、Vbe的值处于大于时，可能会导致低噪声放大器的失真。（1.1.5） （1.1.6） 与方程（1.1.4）相比，方程（1.1.6）有着更好的线性度MOS器件。 作为具有双极性器件的输入端，输入端噪声系数与带宽的比值被定义为：（1.1.7） 对于MOS管 比值为： 可以明显的看出它大于双极性晶体管。 和预想的一样，当MOS管处于输出端得时候，双极性晶体管更适用于信号的输入端。对BIFET的低噪声放大器的最佳匹配分析 本文是对于低噪声放大器的衰减结构和PN结结构的总结，如图3示，他的模型如图3所示。图3：低噪声放大器的内部特征通过最佳匹配电路的和衰减器，将全阻抗匹配到50欧，有两种不同的方程：（1.1.8）（1.1.9）（1.1.10）（1.1.11）（1.1.12） 公式（1.1.12）表明：经过衰减的信号，其线性度将增强。MOSFET的输出阻抗很容易受不从激励电压的改变而改变。而公式（1.1.3）指出匹配电路将控制不同的频率响应。综合上述的有利条件，得出双模低噪声放大器用于接收机如下图4所示：图4：双模低噪声放大器2 仿真 这个AMS的0.8微米BICOMS，其混合信号被用于建立射频接收机的低噪声放大器。简化后的噪声系数如方程7所示。这个理论对双基极晶体管同样适用。本设计在434MHz的频率下能够达到1.69dB的增益。 关于434MHz的低噪声放大器其仿真参数如下表所示：表1 设计参数 方程4到8描述了S11和S22的噪声系数，增益，反射系数，隔离度和IIP3.868MHz的低噪声放大器的仿真参数如图5所示。a：增益 b：反射系数c：噪声系数 d：匹配状况图5：仿真参数结果3 版图设计 将BIFET的低噪声放大器设计成版图，应用在434MHz 的ISM波段。图示6给出了低噪声放大器的版图，以及接收机子AMS的组装图6：版图4 总结 本设计的低噪声放大器应用了BIFET结构，融合了双极结构的低噪声和高线性度的MOS结构，达到高增益低噪声和高线性度的指标。运用AMS的 0.8m BiCMOS，我们设计的低噪声放大器达到了15.9dB的增益，-67dB反射，-85dBm的IIP3和1.69dB的噪声系数，这些指标能够很好的满足在434MHz/868 MHz 的ISM波段的射频接收机的需求。技术支持感谢RFIC设计团队的技术支持和设计，这项研究归上海设计团队所有。参考文献：1Ma Pingxi,Macro Racanelli,Jie Zheng,and Marion Knight,A 1.4mA & 3mW,SiGe90,BiFET Low Noise Amplifier for Wireless Portable ApplicationsC,In IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium,2003.2Thomas H.Lee,The Design of CMOS Radio Frequency Integrated CircuitsM,Cambridge University Press,19983Behzad Razavi,MicroelectronicsM,Pentice Hall Press,1998.4Girlando G,Ragonese E,Italia A and Palmisano G,Bipolar LNA Design at Different Operating FrequenciesC.In Circuits and Systems,2003.ISCAS03.Proceedings of the 2003 International Symposiumon Volume:1,25.28 May 2003 1：1-213-1-216英文原文：BIFET Low Noise Amplifier for Dual Band RF ReceiverJIN WEI,XU