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【精品】论文草稿王承 摘要无线传感器网络（Wireless SensorNetwork,WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。 传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 未来的信息交流，特别是与人直接关联的信息交流正在朝着无线和移动的方向发展。 在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。 现代无线通讯设备不断地朝着低成本、便携式的方向发展，使得基于CMOS工艺的射频集成电路设计成为近年来的研究热点。 无线传感网接收电路是由射频滤波器、低噪声放大器（LNA）、混频器（mixer）、注入滤波器等功能模块组成的。 作为接收通道的关键前端电路，CMOS射频低噪声放大器自然是其中的一个重点研究方向低噪声放大器(LNA)是无线通信系统中射频接收机前端的主要部分。 它本身应有很低的噪声并提供足够的增益以抑制后续电路的噪声。 由于接收机的输入信号变化范围可以达到80dB以上，因而低噪声放大器应同时具备放大小信号和接收大信号的能力。 为了将小到几个微伏的输入信号放大到一定程度而不被噪声淹没，LNA本身要具有很小的噪声和足够的增益。 本文主要介绍无线传感器网络的基本概念和无线传感器网络中接收电路的组成部分，然后着重介绍无线接收电路中最核心的低噪声放大器（LNA）的结构、各项参数和要求，最后介绍无线传感网中其他的功能模块以及设计无线接收电路中关键技术问题。 本章主要介绍课题的发展历程，阐述了本课题的主要研究工作，最后介绍了本文的结构组织框架和实施计划。 1.1无线传感器网络技术的发展回顾通信发展的历史，我们发现了一个非常有趣有过程无线通信技术的发展可以追溯到19世纪中期，1864年James Maxwell在伦敦英国皇家学会发表的论文中首次提出了电场和磁场通过其所在的空间中交连耦合会导致波传播的设想；1887年Heinrich Hertz通过实验证实了电磁能量可以通过空间发射和接收；1901年Guglielmo Marconi成功实现了无线电信号横越大西洋的传递，从此无线电技术正式诞生。 从1920年的无线电通信和1930年的TV传输，到1980年的移动电话和1990年的全球定位系统（GPS），以及当今的移动通信和无线局域网。 无线传感器网络（Wireless SensorNetwork,WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。 传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 未来的信息交流，特别是与人直接关联的信息交流正在朝着无线和移动的方向发展。 最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。 二十世纪80年代至90年代之间。 主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。 这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。 21世纪开始至今，11事件发生之后。 这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。 除了应用于情报部门反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以xx年美国国家重点实验室橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。 在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。 在xx年我国发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。 当然，传感器网络的发展也是符合计算设备的演化规律。 1.2无线传感网接收电路无线接收机是由射频滤波器、低噪声放大器（LNA）、混频器（mixer）、注入滤波器等功能模块组成的。 .无线传感网接收电路的电路结构无线传感网接收机的拓扑结构有超外差式接收机、零中频接收机、二次变频宽中频接收机、二次变频低中频结构和镜像抑制接收机等等。 低噪声放大器(LNA)是无线通信系统中射频接收机前端的主要部分。 采用CM0S工艺设计低噪声放大器可以在廉价的前提下可以获得较好的性能低的噪声系数及合适的增益、足够的线性范围、输入输出阻抗匹配、低电源和低功耗。 足够的增益可以抑制后续级模块的噪声；优异的噪声性能几乎决定整个接收机的噪声性能的优越程度良好的线性度可以使其在较大的信号动态范围内正常工作。 所以，本论文的研究内容主要为以下几点 （1）结构选择将直接影响到电路设计，包括电路的复杂度，各级电路的工作频率、增益、噪声系数、线性度和功耗等指标。 （2）系统复杂程度、功耗、性能及成本，需要通过协调系统中各电路模块的性能参数，以确保达到系统总体指标。 （3）系统集成度和成本产生影响，其中包括片外元件的数量、种类和成本（尤其是高Q值滤波器、谐振器的费用）、PCB线路的复杂度、元件安装（焊接）的成本、电路调试费用等。 第二章主要介绍无线传感网接收电路的各个组件的作用和常见的无线传感接收电路的电路结构。 第三章主要介绍低噪声放大器（LNA），它是无线传感网接收电路关键组成部分，对它的功能、指标、结构以及最佳噪声匹配和在给定功耗条件下的噪声优化方法的讨论。 最后是总结和展望。 第二章无线接收机2.1无线接收机的组成无线接收机是由射频滤波器、低噪声放大器（LNA）、混频器（mixer）、注入滤波器等功能模块组成的。 无线传感网接收电路各个组件的作用图1为无线接收机框图 （1）射频滤波器的作用选择工作频段，限制输入带宽，减少互调失真，抑制杂散信号，以及抑制有LNA放大或产生的镜像干扰，进一步抑制其他杂散信号，减少本振泄漏。 （2）低噪声放大器的作用它是接收机的第一个有源模块，在不造成接收机线性恶化的前提下，提供一定的增益，以抑制后续电路的噪声。 （3）混频器的作用它是接收机的第二个模块,是接收机中输入射频信号最强的模块，其线性度是最重要的指标，由于处在接收机的前端，因此要求具有较低的噪声。 （4）注入滤波器作用滤除本振的杂散信号。 2.2无线传感网接收电路的电路结构 （1）超外差式接收机图2为超外差式接收机结构图特点它是最可靠的接收机拓扑结构，精心设计的超外差式接收机可以具有极佳的灵敏性、选择性和动态范围；它使用混频器将高频信号搬到较低的中频频率中在进行放大和解调，从而解决了高频信号出理时所遇到的困难。 但由于镜像干扰抑制滤波器和信道选择滤波器均为高Q值带通滤波器只能在片外实现，因此接收机的生产成本和尺寸较大。 （2）零中频接收机图3为零中频接收机结构图特点它是接收机中最自然、最直接的结构，在超外差式接收机之前出现，不存在镜像频率，也就没有镜像干扰，不需要镜频抑制滤波器。 由于它不需要片外高Q值带通滤波器，可以实现单片集成从而受到重视。 不过它存在着直流偏差、本振泄漏和闪烁噪声等问题。 （3）二次变频宽中频接收机图4为二次变频宽中频接收机结构图特点二次变频宽中频接收机使用俩次复混频，有效地解决了镜频干扰问题。 它也省去了片外滤波器，提高了系统的集成度。 它基本不存在直流偏移和本振泄漏问题。 固有频率的第一本振和低频的第二本振可以使振荡器和频率合成器的相位噪声得到改善。 但由于第一中频没有信道选择滤波问题会使相邻信道的干扰较为严重，因此对动态范围有较高的要求。 （4）二次变频低中频结构图5为二次变频低中频结构特点二次变频低中频结构它与直接变频相比，高频本振泄漏产生的直流偏移不会干扰有用的低中频信号。 模数转换器可以放在第二次之前，在数字模块实现镜频抑制，可以大大的降低正交分配，但对模数转换器的精度要求较高。 （5）镜像抑制接收机图6为镜像抑制接收机特点镜像抑制接收机它使用了俩个混频器、俩个低通滤波器和一个90度移相器。 它在通过90度移相之后在输出端消除了镜像干扰。 第三章低噪声放大器3.1低噪声放大器（LNA）近年来,无线通讯系统,已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。 多种无线通讯系统的蓬勃发展,使无线通讯系统中的关键模块射频集成电路成为当前的研究热点。 利用CMOS工艺实现的高频段频模拟电路已得到广泛应用,低噪声放大器(LNA)是无线通信系统射频接收机前端的关键模块，LNA是射频接收机最为关键的部分之一，它性能的好坏直接决定了整个接收机的灵敏度。 一般情况下LNA的设计要求包括:输入输出阻抗匹配到50欧、尽量低的噪声系数(NF)、足够高的增益、较低的功耗和一定的线性度尤其在低功耗的条件下，同时实现阻抗的共轭匹配与噪声匹配是低噪声放大器设计的一个难点。 图7为接收机中的LNA低噪声放大器（LNA）的功能它是接收机中的第一级有源电路，位于接收机的前端，如图7所示，其噪声、非线性、匹配等性能对整个接收机至关重要。 LNA的前后分别接一个滤波器，用来抑制带外干扰，在超外差接收机中它们应具有抑制镜像的功能。 由于LNA的输入信号非常微弱，可能小到几个微伏甚至更小，为了能够放大如此小的信号而不被噪声淹没，LNA本身应具有很低的噪声。 放大器的噪声大小可以用噪声系数来表示，该指标是LNA最主要的指标之一。 1.2低噪声放大器的发展现状345从上个世纪60年代中期开始，由于平面外延工艺的发展，双极晶体管的工作频率跨进微波频段，平面外延晶体管的工作频率达到1GHz以上，出现了微波双极晶体管及其相应的放大器，而同时伴随着场效应晶体管（FET）理论的提出，包括金属绝缘栅半导体FET(如MOSFET)、结型场效应晶体管(JFET)、金属半导体场效应管(MESFET)和近代的异质结场效应管(Hetero-FET),如HEMT等随之出现。 近几年来，随着材料生长技术（比如分子束外延和分子化学蒸发沉积）和新型器件结构可靠性的提高，开始从更高的输出功率和效率方面改善器件的功能。 这种新的技术发展水平功率GaAs HFET器件拥有基于异质结化合物AlGaAs、GaAs InGaP、GaAs、InAlAs、InGaAs的结构。 双极结型晶体管器件被引入异质结结构制成HBT。 目前微波HBT的截止频率达到了200GHz,因此在微波、低噪声、超高速及低功耗方面具有很大的优越性。 异质结不但能够构成双极型晶体管,还可以构成场效应晶体管,即异质结场效应管(HFET)。 这种器件提供高栅漏和栅源击穿电压，门偏压降低到夹断电压接近恒量的跨导，适度高的最大沟道电流能够得到高效率的器件推动高电子迁移率晶体管（HEMT）的问世，其低噪声性能比场效应管更优越并大量投入商用。 3在C波段其噪声温度可达25K左右，广泛应用于卫星接收。 目前国外8mm以下的HEMT己商品化，在极低噪声的许多应用领域已取代GaAs MESFET，而且在微波/毫米波功率应用中也越来越引人注目。 由于HFET在工艺制造过程中要精确控制薄层结构、陡峭的掺杂梯度以及采用更难加工的半导体材料,制造一个HEMT要比GaAs MESFET的花费昂贵得多,随着技术的进步和科技的发展,人们对高性能低成本的HEMT需求更大。 很多公司为了满足这一需求,除了在技术方面投资以外,逐渐开始在提高HEMT性价比上增加投入。 值得注意的是，国外单片集成(MMIC)微波器件发展很快，这是一种在几平方毫米砷化镓基片上集成的微波放大器，其体积小、噪声系数一般增益高。 1996年，TRW公司K.W Kabayashi等人研制出了S波段的HEMTHBT单片集成接收机。 该系统包括一个二级HEMT低噪声射频放大器、一级HEMT本征放大器和HBT双平衡混频器，三者均集成在同一片材料上，该HEMTHBT的MMIC系统利用HEMTHBT选择性MBEIC技术，代表了当今最好的IC技术，充分展示了超越于单纯MMIC和混合集成技术的优点。 我们发现微波晶体管低噪声放大器的巨大变革通常是随着微波放大器件的产生和工艺技术的改进而发展的。 相对于国外，由于国内的制作工艺起步较晚，国内有源电路技术指标的快速提高受到了限制。 但是，总体说来，除了高度集成工艺外，国内外总的设计手段是相差不大的，在研制方法上，国内与国外也是基本相同的。 1.3本课题的研究方法及主要工作67低噪声放大器是无线接收机前端的重要部分，其主要作用是放大微弱信号，尽量使放大器引入的噪声减小。 由于它处于接收机放大链的前端，因此，对整个系统来讲是非常重要的。 它的噪声系数、增益和线性度等指标对整个射频接收机系统的性能有重要影响，其中噪声系数几乎决定了整个接收机的噪声性能。 接收机灵敏度公式如下所示（1.1）式中k为波尔兹曼常数，T0为温度，B为带宽，(S0/N0)min是系统正确解调出接收信号所需的最小输出信噪比，Fn为噪声系数。 由上式可以看到，在影响接收机灵敏度的几个因素中，在常温下T0是不变的，带宽B和(S0/N0)min是由接收机结构决定的。 当然也可以通过改变接收机结构来改变B和(S0/N0)min或者采用低温来降低T0，本课题主要讨论噪声系数对接收机灵敏度的影响，不考虑温度的影响。 本课题对低噪声放大器的多种设计方法进行了研究，查阅了大量的资料，总结了前辈的设计经验，利用smith圆图设计匹配网络，较详细的研究了偏置电路的设计，并且对偏置电路对整个电路的影响进行了讨论。 2低噪声放大器理论综述2.1史密斯圆图8史密斯图是一款用于电机与电子工程学的图表，主要用于传输线的阻抗匹配上。 采用双线性变换，将z复平面上实部r=常数和虚部x常数，两族正交直线变化为正交圆，并与反射系数|=常数和虚部x常数套印而成。 图2.1史密斯圆图用归一化的负载阻抗来表示反射系数1111LnLOLnLOZZZZZZ?+=+（2.1）归一化的负载阻抗和之间的关系是一一对应的。 所以画在史密斯原图上的曲线只不过是在平面上画出的常数电阻和电抗的等值线。 当中的代表其线路的反射系数，即S11，nLZ是归一负载值，即L Z/OZ。 L Z是电路的负载值，OZ是传输线的特性阻抗值，通常会使用50。 图表中的圆形线代表电阻抗力的实数值，即电阻值，中间的横线与向上和向下散出的线则代表电阻抗力的虚数值，即由电容或电感在高频下所产生的阻力，当中向上的是正数，向下的是负数。 图表最中间的点(1+j0)代表一个已匹配的电阻数值，同时其反射系数的值会是零。 图表的边缘代表其反射系数的长度是1，即100%反射。 在图边的数字代表反射系数的角度(0180度)和波长(由零至半个波长)。 2.2S参数9在绝大多数涉及射频系统的技术资料和数据手册中，都用到散射参数(S参数)。 其原因在于实际射频系统不再采用终端开路、导线形成短路的测量方法。 采用导线形成短路的时候，导线本身存在电感，而且其电感量在高频下非常之大，此外，开路情况也会在终端形成负载电容。 另外，当涉及电磁波传播时也不希望反射系数的模等于1，在这种情况下，终端的不连续性将导致有害的电压、电流反射，并产生可能造成器件损坏的振荡。 S参数描述了两端口入射功率和反射功率之间的关系，而不是电压和电流的关系。 应用S参数测量和校准都变得容易4。 描述一个系统被V1和V2激励，a 1、a2和b 1、b2分别表示输入和输出口的入射波、反射波功率。 假定系统是线性的，S参数定义为图2.2二端口网络S参数111121221222bS SabSSa?=式中11122122S SSSS?称为双端口网络的散射矩阵，简称为S=?矩阵，它的个参数的意义如下21111bSa=端匹配表示2端口匹配，1端口的反射系数22211bSa=端匹配表示2端口匹配，1端口到2端口的传输系数11122bSa=端匹配表示1端口匹配，2端口到1端口的传输系数12222bSa=端匹配表示1端口匹配，2端口的反射系数在射频与微波频段上，与端口的开路、短路条件相比，端口的匹配比较容实现，在端口匹配条件下进行测试也比较安全。 2.3长线的阻抗匹配10匹配包含两个方面的含义一是微波源的匹配，要解决的问题是如何从微波源中取出最大功率；二是负载的匹配，要解决的问题是如何是负载吸收全部入射功率。 这是两个不同性质的问题，前者要求信号源内阻与长线输入阻抗实现共轭匹配；后者要求负载与长线实现无反射匹配。 V2V1a2a1Sb1b22.3.1微波源的共轭匹配对于一个给定的微波源，其输出最大功率的条件是在同一参考面上负载的输入阻抗Zi与波源的内阻抗Zs互为共轭复数，这个条件称为“共轭匹配”。 需强调的是Zi与Zs必须对同一参考面而言，其中Zi为从参考面处向负载看去的输入阻抗，Zs为从参考面处向波源看去的输入阻抗。 2.3.2负载的匹配在传输微波功率时一般都希望负载时匹配的，因为匹配负载无反射，传输线中为行波状态，这对于传输微波功率来说，主要有以下几点好处1）匹配负载可以从匹配源输出功率中吸收最大功率。 2）行波状态时传输线的传输效率最高。 因反射波带回的能量和入射波一样会在传输线中产生损耗，固有反射时的损耗功率增大，传输效率低。 3）行波状态时传输线功率容量最大。 因在驻波状态时，沿线的高频电场分布出现波腹，波腹处的电场比传输同样功率时的行波电场高得多，因此容易发生击穿，从而限制了功率容量。 2.3.3匹配方法阻抗匹配的方法有二一是在不匹配系统中适当加入无功元件，称为调配器，人为引入一个或多个反射并使之与原系统产生的反射相互抵消而达到匹配；二是两不匹配系统间加接一阻抗变换器，其作用是化原不匹配系统内的大反射为多级的或渐变的小反射乃至最终过渡到匹配状态5。 2.4微带线简介11微带线属于敞开式部分填充介质的双导体传输线。 它是由介质基片上的导带和基片底部的金属接地板构成的，整个微带线用薄膜工艺制作而成，基片采用介电常数高、高频损耗低的陶瓷、石英、蓝宝石等介质材料，导带采用良导体材料。 微带线适合制作微波集成电路的平面结构传输线，与金属波导相比，其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等；但损耗稍大，功率容量小。 60年代前期，由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，形成了微波集成电路，使微带线得到广泛应用，于是相继出现了各种类型的微带线。 微带线的参数确定如下，微带线特性阻抗Z0的大小由导体带宽度W和介质板的厚度h以及有效介电常数r E决定的，如下?+?+?+=1)hW()(4h120WW8hln (601)hW()()1(44.042.2hWZ601WhWhreZZ010=式中Z0为填充介电常数为re的介质时微带线的特性阻抗；Z01为填充空气时的同一尺寸微带线的特性阻抗；W为微带线的导带宽度；h为微带线的介质基片厚度5。 3.2LNA的主要指标 (1)噪声系数（NF）噪声系数的大小取决于系统要求，可以从1dB以下到几个dB，噪声系数与放大器的工作频率、静态工作点及工艺有关，是低噪声放大器的最关键的指标。 (2)增益增益的大小取决于系统的要求，较大的增益有助于减小低噪声放大器后级电路噪声对接收机的影响，但增益过大会引起线性度的恶化。 因此，低噪声放大器的增益应适中，一般在25dB以下。 (3)输入输出匹配低噪声放大器的输入输出匹配决定输入输出端的射频滤波器的频响，LNA的输入端应匹配到第一滤波器的输出阻抗，而LNA的输出端应匹配到第二滤波器的输入阻抗。 (4)线性度线性度包括输入输出三阶截点(IIP3/OIP3）和输入/输出1dB压缩点来度量。 当未经滤除的干扰信号送入LNA时，通过放大器的非线性会产生互调分量，其中有一部分将进入有用信道，对有用信号产生干扰，造成接收质量降低。 (5)隔离度和稳定度增大低噪声放大器的反向隔离度可以减小本振信号从混频器向天线的泄漏程度。 引起反向传输的根本原因在于晶体管的集电极和基极间的极间电容以及电路中的寄生参数的影响，它们也是造成放大器不稳定的原因。 提高稳定性的有效措施有采用中和电容或者晶体管共发共基（或者共源共栅）结构。 3.3低噪声放大器的结构 （1）场效应管低噪声放大器（MOSFET LNA）场效应管低噪声放大器的设计相对于双极型LNA来说更显得复杂。 一方面短沟道MOS管的噪声系数往往需要通过测试而无法从电路参数直接获得，器件模型和电路摸拟结果不能精确反映实际噪声性能；另一方面，栅极感应噪声的存在和高频时非准静态的工作状态使分析复杂度大为增加。 a)输入端并联电阻的共源放大器这种结构通过在共源放大器输入端并联一个50电阻来实现输入阻抗的匹配，如图8所示。 输入端的并联电阻将产生热噪声，同时对输入信号进行了衰减，栅极上的信号电压为信号源电压的一半。 这两种效应叠加在一起将产生很高的噪声系数，若仅考虑两个电阻的热噪声和晶体管漏极电流噪声，且，放大器在低频时的噪声系数满足关系式因此，可以看到即使agmRS4，仍然有Fmin2（3dB），并联电阻提供了很好的功率匹配，但同时增加了噪声系数。 与没有并联电阻时相比，增益下降。 噪声系数在等式只在低频时成立，并且忽略了栅极电流噪声。 因此在较高频率并考虑栅极电流噪声时，噪声系数将更差。 图8输入端并联电阻的共源放大器b)电压并联负反馈共源放大器采用电压并联负反馈的共源放大器如图9所示，它与输入端并联电阻的共源放大器一样，可以提供宽带实数输入阻抗。 由于它在放大器之前没有含噪声的衰减器使信号减少，所以它的噪声系数比输入端并联电阻情况要小得多。 由于反馈网络有热噪声，并且不可能在所有频率下让MOS管栅极看到最佳阻抗Zopt，因此整个放大器的噪声系数比Fmin大，典型值是几个分贝。 这一放大器具有宽带特性，可以实现宽带LNA，尽管其噪声系数不是最小值。 图9电压并联负反馈共源放大器c)共栅放大器共栅放大器是实现电阻性输入阻抗的另一种结构，如图10所示。 由于共栅放大器的输入阻抗为1/(gm+jCgs)。 当Cgsgm时，输入阻抗为1/gm，选择合适的器件尺寸和偏置电流就可以提供50电阻，完成输入阻抗的匹配。 图10共栅放大器如果忽略多晶硅栅阻和栅噪声，仅考虑漏极电流噪声，那么输出电流噪声有两项组成，一项信号噪声源，另一项漏极电流噪声。 如图所示，输出的电流噪声表示为ino=ino,ind+ino,Rs在低频情况下，噪声系数可以标示为如果此时输入匹配，即Rs=1/gm，则有由此得对于长沟道器件，F大约为2.2dB，而对于短沟道器件（/=2）,F大约为4.8dB。 在高频和考虑栅噪声时，噪声系数将明显变大，并满足不等式F1+/d)具有源级电感负反馈的共源放大器这种结构是目前应用最广的低噪声放大器结构，它是窄带放大器，利用源简并电感来得到具有正实部的输入阻抗，并可在功耗受限的情况下得到较优的噪声性能，如图11所示。 （）输入阻抗匹配若忽略Cgd，则图11所示放大器的小信号等效电路可如图12所示。 图11具有源级电感负反馈的共源放大器图12小信号等效电路由图12容易写出输入阻抗为如果Cgs和Ls谐振在工作频率o，则因此，只要使Rs=TLs成立，即可形成输入阻抗匹配。 再由LS的值，然后优化噪声系数和确定晶体管尺寸，得因此，在这种输入匹配的结构中Ls提供了输入阻抗匹配，Lg使输入回路谐振在工作频率。 （）匹配条件下的噪声系数共源放大器的噪声源主要包括以下几种1.MOS管沟道热噪声2.电感Lg的串联寄生电阻R1的热噪声3.MOS管栅极所晶硅电阻Rg的热噪声4.信号源内阻的热噪声考虑上述噪声源后，图11可以改化成图13。 图13考虑噪声源后的共源放大器根据噪声系数的定义噪声系数可以通过输出噪声电流来计算。 e)镜像抑制LNA镜像抑制LNA如图14所示，C 1、C2和Cf组成串并联谐振电路，其中C2和Cf并联谐振在信号频率上，C 1、C2和Cf串联在镜像频率上。 由于C2和Cf组成的并联谐振电路谐振在信号频率上，具有很大的阻抗，因此放大器对有用信号有较高的增益。 相反C 1、C2和Cf组成串联谐振电路在镜像频率上，具有很小的阻抗，因此放大器对镜像信号的增益很小，从而具有镜像抑制的能力。 图14镜像抑制LNA串并联谐振电路的输入阻抗可以表示为|Zf|和电压增益随频率变化曲线如下图所示。 f)低电压折叠式共源共栅结构共源共栅结构LNA具有较高的反向隔离特性，如图15（a）所示，它通过共源放大器与共栅放大器的级联来提高隔离度，电源电压等于两个MOS管漏源偏置电压之和。 随着CMOS工艺的不断发展，电源电压会不断降低。 当电源电压降到一定程度以后就难以保证两个MOS管正常工作于饱合区。 为了使两个MOS管在低电源电压下正常工作，可以对图15（a）所示电路进行变换，将NMOS共栅管改为PMOS管，并通过恒流源提供偏置电流，如图15（b）所示，输出端取自PMOS共栅管的漏极。 恒流源可以用电感电容并联谐振电路构成，如图15（c）所示。 这种电路就是折叠式共源共栅结构。 可以在低电源电压下工作。 变换思路是将两层晶体管变换为一层晶体管，以降低共源共栅电路工作所需要的电源电压。 图15共源共栅结构LNA对于共源共栅放大器性能改善 （1）共源共栅放大器级间匹配。 共源共栅放大器由共源放大器与共栅放大器的级联构成，两级之间没有形成共轭匹配，如图16所示。 曾经有人尝试在两极之间进行共轭匹配以提高性能，但结果发现由于Cgd的作用，La引入了一个负的输入阻抗，为保持阻抗匹配，需要同时增大La和Lg，结果使噪声系数、隔离度等性能变坏。 图16共源共栅放大器 （2）双栅MOS管共栅放大器。 与上述极间匹配的努力相反，另一个改善共源共栅放大器性能的方法是减少MOS管的寄生参数。 设计思想是双栅MOS管取代M1和M2，将M1和M2之间的寄生阻抗减至最小，如图17所示，测试表明此结构获得满意的结果。 图17双栅MOS管共栅放大器 （2）双极型管低噪声放大器双极型晶体管小信号等效电路的噪声模型如图18所示，其输入端的总等效电容为ebebebcbLmeqDCCCCRgC1=+=；Cep两端并联等效电阻为ebbbrsbbrsebebbbrseqrRRrrRR)(/)(+=+=；共射小信号放大电路的电压增益为:eqeqIpI/soutusCsRAsAsUsUsA+=+=?11)()()(.。 图18双极型晶体管小信号等效电路第4章混频器4.1混频器的介绍在通信系统中，信号频率之间的变换是我们首要解决的问题。 一般情况下，对信号进行调制、扩频、解扩等处理工作是在低频段下进行的，然后再将处理好的信号上变频到高频段发射出去，同样我们需要将接收到的射频信号下变频到低频段再做各种信号处理工作。 所以在通信系统中，混频器是必不可少的重要部件。 实际上混频器的原理是利用非线性器件达到一个频谱搬移的作用。 在接收机中，混频器一般是位于接收机的前端或者在低噪声放大器的后续端，它的性能如变频损耗(变频增益)、噪声系数等直接影响到整个系统的好坏。 所以在通信系统中，性能优越的混频器对整个系统起到关键作用，也是人们一直研究的课题。 混频器一般由四个部分组成 (1)耦合本振的输入电路； (2)耦合射频信号的输入电路； (3)中频信号的输出电路； (4)非线性器件网络。 它起到一个频率变换的作用，以便于信号的处理。 混频器按照使用不同的非线性器件，大体上可以分为两类 (1)采用无源器件二极管作为混频器件。 二极管一般包括肖特基势垒二极管、梁式引线二极管、变容管等。 在微波毫米波段，肖特基势垒二极管是最常用的二极管。 由于这种类型的混频器具有设计方便、电路简单、容易集成、工作稳定，性能优越的特点，因此成为目前使用最广的微波毫米波混频器。 但由于这种混频器是无源器件，它的缺点就是有一定的变频损耗。 当用多个二极管组成的混频电路，其工作频带可以达到几个乃至几十个倍频程。 (2)采用有源器件晶体管或场效应管作为非线性混频器件。 这种三端口器件混频器最大的优点就是可以产生变频增益。 其缺点是需要额外的直流偏置，电路结构复杂，设计方法也比较复杂。 按电路结构形式分，混频器大体可以分为两大类【l】一类是单端混频器，结构上采用的是一个混频管，单端混频器电路结构比较简单，但性能也比较差，在毫米波以及亚毫米波频段应用比较广泛。 另一类是平衡混频器，结构上使用两个或四个相同特性的混频管组成平衡电路，平衡混频器又可分为单平衡混频器和双平衡混频器两种。 单平衡混频器相比于单端混频器，它的变频损耗改善6dB，组合干扰频率减小一半。 双平衡混频器的优点在于对所UsrbbrbeceqgmUbebecibicUbe.Rs.RLuo有本振频率与射频信号的偶次谐波进行抑制；在所有的三个端口之间提供良好的隔离度；变频损耗小，比单平衡混频器的变频损