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1、摘 要快速发展的无线通信对微波射频电路如低噪声放大器提出更高的性能。低噪声放大器(LNA)广泛应用于微波接收系统中，是重要器件之一，它作为射频接收机前端的主要部分，其主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据。它的噪声性能直接决定着整机的性能，进而决定接收机的灵敏度和动态工作范围。而近年来由于无线通信的迅猛发展也对其提出了新的要求，主要为：低噪声、低功耗、低成本、高性能和高集成度。所以本论文针对这一需求，完成了一个2.45GHz无线射频前端接收电路的低功耗低噪声放大器的设计。本文从偏置电路、噪声优化、线性增益及输入阻抗匹配等角度分析了电路的设计方法，借
2、助 ADS 仿真软件的强大功能对晶体管进行建模仿真，在这个基础上对晶体管的稳定性进行了分析，结合 Smith 圆图，对输入输出阻抗匹配电路进行了仿真优化设计，设计了一个中心频率为2.45GHz、带宽为100MHz、输入输出驻波比小于1.5、噪声系数小于2dB和增益大于15dB的低噪声放大器。 关键词：微波；低噪声放大器；噪声系数；匹配电路；ADS仿真ABSTRACTRapid growth of wireless data communications has increased the demand for high performance RF&Microwave circuits, Su
3、ch as Microwave Low Noise Amplifiers. The LNA is one of the most important and broad components in Microwave communication system receiver, as the main part of the RF front-end receiver, the function of the low noise amplifier is amplifying the faint signal which incepted from air by the antenna. It
4、 can reduce the noise jamming, so as to demodulate right information for the system. The noise performance of the LNA will affect the performance of the whole system directly, and then deciding the sensitivity and dynamic working scope of the receiver.From the aspect of bias circuit, noise optimizat
5、ion, linear gain, impedance match, and the design methodology for LNA is analyzed, This article carries on the modelling simulation with the aid of the ADS simulation softwares powerful function to the transistor, has carried on the analysis in this foundation to transistors stability, has used the
6、Smith circle diagram, to input the output impedance match circuit to carry on the simulation optimization design. a radio frequency power amplifier is designed, which has a centre frequency2.45GHz, bandwidth 100MHz, I/O VSWR less than 1.5, Noise coefficient less than 2dB and Wattandgain 15dB.Key Wor
7、ds：microwave; low-noise amplifier; noise figure; matching circuit; ADS simulationII目 录1引 言11.1课题研究背景11.2低噪声放大器简介21.3低噪声放大器的发展现状21.4本课题的研究方法及主要工作32低噪声放大器理论综述52.1史密斯圆图52.2S参数62.3长线的阻抗匹配72.3.1微波源的共轭匹配72.3.2负载的匹配82.3.3匹配方法82.4微带线简介82.5偏置电路93低噪声放大器的基本指标103.1工作频带103.2带宽103.3噪声系数113.4增益123.5稳定性123.6端口驻波比和反
8、射损耗134低噪声放大器设计仿真及优化154.1指标目标及设计流程154.2选取晶体管并仿真晶体管参数154.3晶体管S参数扫描174.4放大器的稳定性分析194.5设计输入匹配网络214.5.1匹配原理214.5.2计算输入阻抗234.5.3单支节匹配电路234.6设计并优化输入输出匹配网络25结 论30参考文献32致 谢34天津职业技术师范大学2012届本科生毕业设计1 引 言1.1 课题研究背景微波和射频工程是一个令人振奋且充满生机的领域，主要由于一方面，现代电子器件取得了最新的发展；另一方面，目前对语音、数据、图像通信能力的需求急剧增长。在这一通信变革之前，微波技术几乎是国防工业一统天
9、下的领域，而近来对无线寻呼、移动电话、广播视频、有绳和无绳计算机网络等应用的通信系统需求的迅速扩大正在彻底改变工业的格局。这些系统正在用于各种场合，包括机关团体、生产制造工厂、市政基层设施，以及个人家庭等。应用和工作环境的多样性伴随着大批量生产，从而使微波和射频产品的低成本制造能力大为提高。这又转而降低了大批新型的低成本无线、有线射频和微波业务的实现成本，其中包括廉价的手持GPS导航设备、汽车防撞雷达，以及到处有售的宽带数字服务入口等。在这些纷繁的无线设备中，低噪声放大器(LNA)是必不可少的关键部件，它应用于移动通讯、光纤通讯、电子对抗等接收装置的前端，它的噪声、增益等特性对系统的整体性能影
10、响较大，其性能的好坏对整个装置的使用都有相当大的影响，因此低噪声放大器的设计是通讯接收装置的关键。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射频放大模块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，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
11、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。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。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，研制合适的宽频带、高性能、更低噪声的放大器，研究出一套高效率的、精准的放大器设计方法已经成为射频微波系统设计中的关键环节。1.2 低噪声放大
12、器简介低噪声微波放大器（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 EESO
13、F 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。1.3 低噪声放大器的发展现状从上个世纪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
14、(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
15、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。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
