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3.3 SP模型的仿真..................................... 12 3.3.1 创建原理图 .................................. 12 3.3.2 搭建原理图并仿真SP模型的输入输出阻抗 ....... 12 3.3.3 设计输入匹配网络 ............................ 14 3.3.4 设计并优化输入输出匹配网络 .................. 18 3.3.5 低噪声放大器设计指标的实现 .................. 22 3.4 偏置电路 ......................................... 24 3.4.1 计算偏执网络的电阻 .......................... 24 3.4.2 设计偏置网络 ................................ 26 3.5 最终整体电路 ..................................... 27
四．结论 ............................................... 28 参考文献 ............................................... 29 致谢 .................................................... 30 附录A 外文文献 ........................................ 31 附录B 外文文献翻译 .................................... 36
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一．绪论
1.1 概述
低噪声放大器，通常作为各类无线电接收机的高频或者中频前置放大器，以及一些高灵敏度的电子探测设备的放大电路。位于放大微弱信号的场合，放大器本身产生的噪声对信号的干扰也许会很严重，所以希望减小此类噪声，以达到提高输出的信噪比的目的。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示。理想放大器的噪声系数 F=1（即0dB），其表现的物理意义为输出信噪比等于输入信噪比。[1]现代设计的低噪声放大器一般都采用晶体管、场效应晶体管进行制作；微波低噪声放大器则利用变容二极管参量放大器，常温下参放的噪声温度Te能够低于几十度(绝对温度)，致冷参量放大器可达20K以下。砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于 2 分贝。放大器的噪声系数也与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。为了同时保证低噪声和高增益的技术达标，常采用共发射极一共基极基联的低噪声放大电路。[2]
Advanced Design System（ADS）软件是Agilent公司在HP EESOF EDA软件基础上发展完善的大型综合设计软件。该软件功能多样、强大，能够提供各种射频微波电路的仿真和优化设计。广泛应用于通信、航天等领域。本文重点讲解利用ADS软件来设计微波低噪声放大器的仿真以及优化。
1.2 微波低噪声放大器的应用
低噪声放大器(LNA)主要面向的是移动通信基础设施基站应用，比如收发器无线通信卡、塔顶放大器(TMA)、组合器、中继器以及远端/数字无线宽带头端设备等应用设计，同时为低噪声指数(NF, Noise Figure)立下了新的标杆。
低噪声放大器是雷达、电子对抗及遥测遥控接受系统等的核心部件。L、S波段的低噪声放大器通常用作遥测、遥控系统。在电子对抗、雷达侦察中，由于需要接收到的信号的频率范围无法准确得知，其实频率范围也是要侦察的内容之一，因此要求接收系机的频率范围足够大，同样的放大器的频率也被要求足够宽。另外，雷达侦测接收的是雷达发射的折射波，是单程接收；但雷达接收的是目标的回波，使得侦察机处于雷达作用的范围以外时就可以提早发现雷达目标。灵敏度越高的接收机侦察范围就越大，例如高灵敏度的超外差式接收机可以实现超远程侦察，用以监视敌远程导弹的发射。要提高侦察距离，就要提高接收机的灵敏度，则需要设计高性能的低噪声放大器。[3]
在国际卫星通信的应用中, 低噪声放大器的主要发展趋向是改进性能和降低成本。由于国际通信量年复一年地迅速增加, 所以必须通过改进低噪声放大器的性能来满足不断增加的通信需求。所以, 要不懈地不断努力去展宽带低噪声放大器的带宽和降低其噪声系数。[4]从经济观点出发, 卫星通信整个系统的成本必须减少到能与海底电缆系统相竞争。降低低噪声放大器的噪声温度是降低卫星通信系统成本的一种最有效的方法, 因为地面站天线的直径可以通过改善噪声温度性能而减小。 另一方面, 在国内卫星通信应用中, 重点放在低噪声放大器的不用维修特性以及低噪声和宽带性能, 因为在这些系统中越来越广泛地采用无人管理的工作方式, 特别在电视接收地面站中更是如此。
卫星通信用的低噪声放大器可以分为两种类型——低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放
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大器。这些低噪声放大器用在几个频段内, 包括4GHz, 12GHz和毫米波频段。宽带低噪声放大器的实现又有很多种类型。SiGe工艺具有优异的射频性能，更由于其较高的性价比，被广泛应用于移动通信、卫星定位和RFID等市场；SiGe工艺还可以与常规的数字模拟电路相集成，制造出功能完整的SoC芯片。目前采用SiGe材料制作射频集成电路已成为国际上的研究热点。实现前端的低噪声放大器是最近兴起的超宽带射频通信系统中的挑战之一。业界一直在追求完全集成的超宽带通信系统SOC，与其他工艺相比，CMOS工艺更易于系统集成,所以人们设计出了许多的CMOS工艺的超宽带低噪声放大器。
1.3 微波低噪声放大器的发展现状
可以对微波信号放大的元器件有很多，速调管与行波管特定用作于高功率环境下放大微波信号，并且噪声系数很高；参量放大器能够用作于低噪声的放大，然而带宽较窄；使用半导体材料的雪崩效应工作的雪崩二极管，由于其噪声较大，故基本上用作负载功率放大器；此外，还有隧道二极管、体效应二极管等微波固体器件，但隧道二极管可承受的信号功率小，容易烧毁且应用很少，而体效应二极管工作电压较低、调频噪声小故多用作于振荡器。量子放大器的噪声系数最好，但是它过于庞大并且价格昂贵。
从二十世纪四十年代微波晶体管的问世，由于体积小、重量轻的特点使得其成为微波固体器件的一个重要组成部分。在六十年代中期，由于平面外延工艺的快速发展，双极型晶体管也能够应用于微波射频波段。并且，随着半导体材料和工艺的迅猛发展，场效应晶体管也应用于微波射频频段之中。微波晶体管放大器具有宽频带、稳定性好、噪声性能好、动态范围大等优点。在过去的三十几年里，低噪声经历了飞速的发展。在80年代时期，低噪声放大器的噪声指标已经非常优秀了，但由于体积重量均较大，功耗也比较大等缺点，卫星地面终端对低噪声、重量轻、低功耗以及高可靠性同时提出了要求，当时的低噪声放大器还很难做到各项技术指标的达标。随着分子束外延(MBE)和金属有机化合物化学汽相淀积(MOCVD)等晶体生长技术、“能带工程”原理在器件设计中的成功应用，还有电路匹配技术与器件工艺技术的发展，人们研制出了很多新型的半导体器件。除去砷化钾的场效应晶体管(GaAs FET)之外，其中的高性能晶体管有高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)。1981年法国Thomson－CSF公司研制成功第一个低噪声HEMT，在10GHz条件下，NF为2.3dB，Ga为10.3dB。在接下来的五年里，HEMT已取得了明显的进步，成为公认的最适于毫米波应用的低噪声器件之一。在60GHz下，用GaAs基的HEMT器件能够达到NF＝1.7dB，Ga＝7.6dB。InP-HEMT在1987年问世之后的几年里，噪声性能已提高到令人惊奇的程度，是目前毫米波高端应用最好的低噪声器件。在60GHz下，InP-HEMT能够达到NF＝0.9dB，Ga＝8.6dB。目前，利用HEMT制作的多级低噪声放大器已广泛用于卫星接收系统、电子系统及雷达系统。到了90年代，随着晶体材料技术与微细加工技术的逐渐成熟，毫米波MMIC进入实用化阶段。
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长期以来，射频电路的工艺是以GaAs、SiGe衬底的BiCMOS/Bipolar工艺作为主导地位的，主要是因为其高截止频率、高增益以及相对较低的噪声系数。但是，在通信电路中的基带处理和数字信号处理一般都利用集成度较高的CMOS工艺，所以工艺的不兼容性长期以来成为了影响射频集成电
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路发展的主要因素。近些年人们对硅基深亚微米CMOS工艺技术不断研究，使得MOS晶体管的各项技术指标得到了显著的改善。例如，MOSFET的截止频率可以达到150GHz，这使得利用CMOS工艺可以制作射频集成电路。另外，和传统的射频工艺相比，CMOS工艺的优势相当明显——高集成度(与基带、数字信号处理模块工艺兼容)、低成本。所以CMOS射频集成电路成为当前的研究的主流。
作为射频前端的关键模块的LNA，国内外的学者都对其进行了细致的研究。其中Derek K.Shaeffer和Thomas H.Lee对深亚微米下的LNA的噪声性能作了详细研究，他们所提出的功耗约束下的噪声优化法被许多的研究者所采用。之后P.Aadreani提出了在功耗约束条件下的噪声与功率同时匹配的方法，改善了LNA的噪声优化技术。近几年来，线性化技术也是一个研究的热点，提高LNA的线性度的方法有经典的导数叠加技术与改进的导数叠加技术，它们主要是利用偏置在不同工作区的晶体管相并联，以抵消他们的三阶非线性分量，从而提高三阶交调点。 1.4 本次毕业设计的意义和主要工作内容
低噪声放大器， 顾名思义为噪声系数很低的放大器。通常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，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统灵敏度。
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在放大微弱信号的场合，放大器自身产生的噪声对信号的干扰可能比较严重，所以希望
减小这种噪声，以达到提高输出的信噪比的目的。微波低噪声放大器是微波通信系统的前端装置，能够直接接收从天线发出的微波信号，并对其进行放大。整个微波通信系统的噪声系数几乎完全受微波低噪声放大器的噪声系数的影响，所以对其噪声的优化是一个相当重要的部分了。低噪声放大器在微波通信，卫星地面接收，卫星遥感，雷达，GPS接收机等当代信息通信系统中都有着非常重要的应用，因此本设计具有着一定的实际意义。
本次毕业设计采用惠普公司的AT32011晶体管，在确定了噪声系数、稳定因子、增益系数和输入输出驻波比等各项参数指标要求的情况下进行静态工作点扫描、S参数扫描、计算输入输出阻抗、制作输入输出匹配网络并进行优化以及偏置电路的仿真设计。
本次制作微波低噪声放大器的各项指标参数为： 低噪声放大器的中心频率选为2.4GHz，带宽80MHz。 通带内的增益达到11dB。 通带内的噪声系数小于3。 通带内K>1，绝对稳定。 通带内的输入驻波比小于1.7。 通带内的输出驻波比小于2.2。 系统内的特性阻抗选为50Ω。
微带线基板的厚度设置为0.8mm，基板的相对介电常数设置为4.3。
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二．低噪声放大器的理论基础
在低噪声放大器的设计中，通常需要考虑很多技术指标，其中最重要的就是稳定性、增益、输入输出驻波比和噪声系数。 2.1 放大器的稳定性
在设计微波低噪声放大器时，需要着重考虑电路的稳定性，这与低频电路的设计方法完全不同。稳定性是指放大器抑制环境的变化（信号中心频率、温度、源和负载变化），维持正常工作的能力，由于反射波的存在，微波放大器在某些工作频率或终端条件下有产生振荡的倾向，不再发挥放大器的作用，因此需要使得电路在中心频率时稳定因子K>1是非常必要的。
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放大器的二端口网络如图2.1所示，由于反射波的存在，设源的反射系数为?S，负载的反射系数为?L，二端口网络输入端的反射系数为?in，二端口网络输出端的反射系数为?out，若反射系数的模大于1，传输线上的反射波的振幅将比入射波的振幅大，从而导致整体电路的稳定因子K<1，即电路不稳定。所以，低噪声放大器的稳定意味着反射系数的模小于1。
同样的也可以用解析法判别放大器的稳定性。
??S11S22?S12S21 （2.1）
Zs Vs 二端口网络 ZL ?S ?in ?out ?L
图2.1 接有源和负载的放大器二端口网络
1?|S11|2?|S22|2?|?|2K?2|S12||S21| （2.2）
K称为稳定性因子，绝对稳定要求在选定的中心频率处K>1,即绝对稳定。 2.2 放大器的功率增益
对输入信号进行放大，是放大器最主要的任务，所以在设计低噪声放大器的仿真设计中，增益有着相当重要的地位。放大器的转换功率增益为
1?|?S|21?|?L|2 GT? （2.3） |S21|22|1??in?S||1?S22?L|
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