低噪声放大器论文.docVIP

目 次 TOC \o 1-3 \h \z \u 1 前言 2 1.1 低噪声放大器简介 2 1.2 低噪声放大器的发展现状 2 1.3 本课题的研究方法及主要工作 3 2 低噪声放大器理论综述 4 2.1 史密斯圆图 4 2.2 S参数 5 2.3 长线的阻抗匹配 6 2.3.1 微波源的共轭匹配 6 2.3.2 负载的匹配 6 2.3.3 匹配方法 7 2.4 微带线简介 7 3 低噪声放大器的基本性能指标 7 3.1 中心频率f0 7 3.2 带宽 8 3.3 噪声系数 8 3.4 增益 9 3.5 稳定性 10 3.6 端口驻波比和反射损耗 11 4 低噪声放大器设计仿真及优化 11 4.1 指标目标 11 4.2选取晶体管并仿真晶体管参数 11 4.3晶体管S参数扫描 12 4.4放大器的稳定性分析 14 4.5设计输入匹配网络 16 4.5.1 匹配原理 16 4.5.2计算输入阻抗 18 4.5.3单支节匹配电路 18 4.6设计并优化输入输出匹配网络 20 结 论 24 致 谢 25 参 考 文 献 26 1 前言 1.1 低噪声放大器简介[1][2] 低噪声微波放大器（LNA）已广泛应用于微波通信、GPS 接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗、射电天文、大地测绘、电视及各种高精度的微波测量系统中，是必不可少的重要电路。低噪声放大器位于射频接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的低电压信号进行小信号放大。前级放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响最大，它的增益将决定对后级电路的噪声抑制程度，它的线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑制比产生重要影响。对低噪声放大器的基本要求是：噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好、足够的带宽和大的动态范围。 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，它功能强大，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，是射频工程师的得力助手。本文着重介绍如何使用 ADS 进行低噪声放大器的仿真与优化设计。 1.2 低噪声放大器的发展现状[3][4][5] 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200 GHz ,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8 mm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HEMT—HBT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