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1、 引 言近几十年来，微波器件的飞速发展，如双级晶体管（BJT）、结型场效应管（JFET）的发明，以及砷化钾肖特基势垒栅场效应管（GaAs MES FET）的研制成功。这些成功，使得微波固态电路随之也发生了飞速的进步。由于80年代初的先进工艺，使得级间线条尺寸缩小到了亚微米级，又一次大大提高了了工作频率。随后异质结双级晶体管（HBT），高电子迁移率晶体管（HEMT）,也相继研制成功。目前这些新的器件的工作频率已经进入了毫米波段，HEMT多用于微波低噪声放大器，现在国外已研制出毫米波单片集成电路，HBT的应用不仅可作微波功放、微波振荡器、微波开关，还可作分频器，模数变换、高速逻辑电路等，预测将来微
2、波集成电路必然有着跟迅速的发展。 微波基本知识及课题背景分米波 10-1分米 特高频（UHF） 300-3000 Hz微波 厘米波 10-1厘米 超高频（SHF） 3000-30000Hz毫米波 10-1毫米 极高频（EHF） 30000-300000Hz（贴图）其简单工作过程是：利用天线将从空中接受的微弱电磁波变为无调电流，经过可调谐的高频放大器选择出所需接收的信号，并同时放大信号。放大后的高频已调信号与本振振荡器的频率相混频，变为频率较低而且固定的中频已调信号，经过中频放大以后，又检波器检出原来的调制信号，在经低频放大器放大去推动终端设备。我的课题即是设计一个中频放大器。中频放大器是一种频
3、带较宽的谐振放大器。他的主要作用是放大中频已调信号。他与高频放大器相同之处是：二者均采用谐振回路做负载。其差异有二：一是由于削弱邻近信号的干扰是中放的任务之一，故而中放具有接近矩形的理想谐振曲线。二是中放具有工作频率固定与级数多两个特点。因而中放由多级固定调谐的小信号谐振放大器组成。高频放大器，中频放大器，其主要任务是在很多干扰和信号中选择出所需的信号加以放大，由于他们的输出信号的频率与输入信号的频率相同，因此，这些部分是接收机的线性部分。L波段低噪声放大器在卫星通讯系统，雷达系统，无线通讯系统的等等中，有着广泛的应用。在通讯系统中，为了提高系统接受微弱信号的能力，需要克服外部噪声和内部噪声对
4、系统的影响，而低噪声放大器是决定整个系统噪声性能的核心部件。根据课题的要求，：设计一个L波段的低噪声放大器，工作频率：1到1.5GHz，噪声系数：小于2db，相关增益：大于25db。 微波固态电路介绍微波固态电路的发展与微波集成电路技术密切相关，而微型化技术则是以提高集成度为基础的。目前对雷达，电子战和通讯等电子设备中微波电路“微型化”的呼声甚高；“微型化”的含义远比其名词本身寓意要广泛，它至少还意味着：一致性，低价格和高可靠。微波集成电路(MIC)的概念来自低频集成电路(IC)，其发展也是遵循着低频的途径。60年代后期随着各种微波半导体器件的问世以及微带传输线理论和薄膜工艺的成熟，以混合集成
5、电路(HMIC)的形式出现。是采用薄膜或厚膜工艺在介质衬底表面制作以分布参数为主的微波电路，其中有源器件和集总参数元件（电容，电阻等）通过键合，焊接或压接加到衬底表面。70年代HMIC发展迅速，应用广泛，使原先用分立元件实现的微波系统在小型化，轻量化方面起了变革，性能与价格方面也有所得益，而且逐渐出现了集成度提高的多功能HMIC。HMIC的发展对微波技术本身起了推动作用，并为单片微波集成电路的研制奠定了基础。MMIC的含义是采用半导体多层工艺（如外延，离子注入，溅射，蒸发，扩散等方法或这些方法与其他方法的结合）将所有的微波或毫米波有源器件或无源元件（包括连接线）制成一整体或制作于半绝缘衬底表面
6、以实现单个芯片的功能部件或整件。近10年来，MMIC事业蓬勃发展，归因于：性能优良的GaAs半绝缘衬底材料的大量应用及外延，离子注入等工艺的成熟，MESFET的大力开发并已成为多用途器件；肖特基势垒二极管与各种MESFET（包括双栅FET）可用相同工艺在同一衬底上制作；特别是可进行精确定模和优化设计的CAD工具日臻完善。与功能相同的HMIC相比，MMIC的体积，重量可减至1/100或更小（频率愈低，减少愈多，在L波段可减至1/1000，或更小）。因MMIC适于批加工，在材料均匀性好和工艺成熟的前提下可实现良好的电性能一致。由于大大减少接插件，联线和外接元器件，可靠性改善因数可达20-100，由
7、于寄生参量减至最小，MMIC具有宽带本能，其抗辐射能力也较强。但MMIC也有其缺点。首先。采用半导体工艺在衬底上制成的电路，从占有面积来看，无源元件比有源元件大，因此不仅价格高，也不利于提高成品率，而且传输线损耗大。其次MMIC难以实现电路微调，故为获得最佳性能，必须更多地依赖CAD技术。又由于元件密集，射频耦合强，顾宜尽量采用集总元件，由CAD进行邻近效应计算等。此外，由于GaAs导热率不佳，散热较难，高功率集成仍是难题。对MMIC的故障指示及监测尚在研究中，其途径是进行微波预先测试研究，并将估计元件故障编入CAD程序。 以往，经典的HMIC研制程序是：设计计算或CAD-电路布局-制版加工-
8、试验微调-修改设计-。因基于不很精确的设计，上述过程往往需返复数次。其间由于等于等待加工，使整个周期延长。这种方法显然不适于先进的微型化组件的研制，特别因对MMIC不可能进行微调，故首先必须研究精确的元器件定模和CAD技术。近几年来国外已推出一些对MMIC设计行之有效的CAD软件包。它们针对小信号或大信号工作可分别给出线性、非线性的频域或时域分析。例如EEsof公司的Libra（包含线性和非线性频域模拟）和Microwave Spice(时域模拟)；COMPACT公司的LINMIC、Microwave Harmonica等软件均已广为应用。现又推出可给出三维结构分析乃至全局电磁模拟的软件，如E
9、Esof公司的EMsim和HP公司的HFSS，它们适于计算迭层螺旋电感、电压器、空气桥以及邻近效应等。采用这些软件后可使MMIC设计精度大为提高。不仅如此，目前的软件还可对电路成品率进行优化，并使电路对加工容差的灵敏度最低，与CAD软件逐步完善的同时，计算机辅助加工（CAM）和计算机辅助测试（CAT）也已逐渐成熟。乃有可能改变以往的研制方法，而是借助计算机是模拟和制图程序之间直接相互作用，对设计与加工进行微调。目前已形成的集软件与硬件与一身的MMIC CAE （=CAD+CAM+CAT） 工作站，可一次完成定模、综合、模拟、线性与非线性分析、优化、制图、加工、测试和调整。目前EEsof和HP等
10、公司均已开发出MMIC工作站。 微波放大器的理论基础 对于一个微波放大器的特性而言，最重要的参量为功率增益，噪声系数，稳定性，输入和输出驻波比（VSWR），以及输出功率等。下面将介绍几个重要的参量的概念。1 噪声系数的概念 噪声系数是放大器的一项重要的性能指标，因此，从放大器的整体电路考虑，研究放大器的噪声系数，以及放大器的噪声系数与源阻抗的关系，对于实际放大器的设计是非常有实用价值的。在解释噪声系数之前，我们必须噪声和几种功率的概念三种放大器功率增益的定义（1） 实际功率增益 的定义为负载所吸收的功率与输出功率之比功率增益，它与晶体管S参数及负载反射系数有关。（2） 转换功率增益 定义为负载
11、吸收的功率与信号源输出的资用功率之比。转换功率增益表示，插入放大器后负载上得到的功率，比无放大器时得到的最大功率增加的倍数。它的大小与输入和输出端的匹配程度有关。（3） 资用功率增益 定义为负载吸收的资用功率与信号源输出的资用功率之比。它是在放大器的输入和输出端分别实现共轭匹配的特殊情况下，放大器产生的功率增益，也是在输出端共轭匹配情况下的转换功率增益。资用功率增益只与晶体管S参数及信源阻抗有关。实际上，放大器在输入、输出端都满足共轭匹配的条件比较困难，只表示放大器功率增益的一种潜力。接受机内部噪声的主要来源有：电阻的热噪声，晶体管和电子管的散弹噪声，分配噪声和闪烁噪声等等。噪声的来源不同，其
12、噪声功率的表达式也不相同，一般以热噪声作为主要参考。 20世纪20时年代，奈奎斯特在热力学统计理论分析和实验研究的基础上，导出了电阻热噪声电压均方值的表达式： 式中，K为波尔兹曼常数，T为电阻温度，R为电阻值，B为测试设备的通频带。如用等效源表示，可将一个热噪声电阻R等效为一个无噪声电阻R与一个噪声电压源Un串联而成的等效电压源。由等效电压源知，当接入负载电阻Rl=R时，温度为T的电阻R，在带宽B内产生的资用噪声功率是 热噪声是一种随即过程，通过傅立叶分析知，其频率分量是连续均匀的频谱分布，称为白噪声。由公式（2-2）得出资用热噪声功率的谱密度为 上式表明，电阻输出的单位带宽资用噪声功率只与热
13、力学温度T成正比，与电阻类型和阻值无关。 根据奈奎斯特定理，资用热噪声的功率是温度的普适函数，故一个噪声源可用噪声温度表示。由式（3-3）可知，电阻处于温度Tn时，有 Tn就是该电阻的噪声温度，表征其噪声的大小。一个实际的双端口网络（线性或者准线性），设网络增益为G，其输出端产生的总噪声系数Nout应为网络输入端电阻Ri产生的噪声系数Ni和网络内部噪声功率在输出端的贡献之和。将实际网络用理想网络代替，把网络内部噪声折合到输入端，用等效输入噪声功率Ne或等效输入噪声温度Te来表示。则Ne通过理想网络传输到输出端所贡献的噪声功率，将与网络内部噪声在输出端的贡献相等。由此得出由上式求出实际网络的等效
14、输入噪声温度为式中Ti是网络输入端电阻（或者等效输入电阻）的噪声温度1.1 噪声的分类（1） 热噪声由于晶体管存在着基区电阻，电子的热运动会产生较大的噪声。而发射极和集电极的体电阻因为很小，可以忽略不考虑（2） 散粒噪声从发射极注入基区的少数载流子是一个随机的量。其数目在每一瞬间都是不相同的。少数载流子的涨落便构成发射极和集电极的电流的起伏，由此引起的噪声称为散粒噪声或散弹噪声。（3） 分配噪声注入基区的少数载流子在基区的复合是随机的。从而使发射极电流IE分配成IC和IB而得到的IC也随着基区载流子复合数量的变化而变化。这种变化引起的噪声称为分配噪声（4） 闪烁噪声可认为热的产生与复合过程中偶数发生的本性。他的大小与半导体材料以及其表面清洁处理及漏电流有关。噪声频谱与F成反比，这种噪声主要在低频范围内产生影响。1.2 噪声系数的定义噪声系数NF的定义：当规定输入端温度处于Ti=T0=290K时，网络输入端资用信号噪声功率比（Si/Ni）与输出端资用信号噪声功率比（Sout/Nout）之比值，其表达式为 其噪声网络如下图：增益为Gn(f)的有噪声网络 Psi Pso Pni
