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1、 Southwest university of science and technology 本科毕业设计（论文）P波段低噪声放大器的性能优化设计及版图实现学院名称信息工程学院专业名称电子信息工程学生姓名何雨轩学号20115339指导教师王军 教授二一五年六月I西南科技大学本科生毕业论文P波段低噪声放大器的性能优化设计及版图实现摘要：随着社会的发展，无线通信已经深入到人们生活的各个方面。低噪声放大器作为无线通信系统前端的重要部件之一，近年来逐渐成为射频研究的热点。本文首先介绍了低噪声放大器设计的理论基础，并给出了几种用于低噪声放大器设计的电路形式，对比它们的优缺点之后，选择使用负反馈网络的电
2、路形式来完成本次设计。在此基础上，设计出了一个工作频率在P波段低噪声放大器的设计。 首先，采用负反馈技术并运用软件ADS(Advanced Designed System)设计出一个单级的P波段低噪声放大器，优化修改放大电路后，仿真结果并没有达到期望的指标要求。随后修改设计方案，在单级低噪声放大器的基础上再级联一个稳定的低噪声放大器，构成两级低噪声负反馈放器，并在输出端口加入衰减网络，以降低级联产生的高增益。最终实现在工作频段0.231GHz内，增益为20dB，驻波比小于1.6，噪声系数小于4dB。该设计原理图仿真和联合仿真结果性能良好，实现了预期的设计指标要求。 关键词：低噪声放大器； P波
3、段； 负反馈； 衰减P Band Low Noise Amplifier Performance Optimization Design and Map ImplementationAbstract：With the development of the society, wireless communication has deep into many aspect of human daily lifeLow noise amplifier, as one of the most important part of the wireless communication system, ha
4、s gradually become a research focus in recent years. This paper first introduces the theoretical basis of the low noise amplifier design, and gives several circuit from for low noise amplifier, after comparing their characteristics, choose to use negative feedback network circuit form to complete th
5、e design. On this basis, the operating frequency in P-band low noise amplifier has been designed. First of all, we use software ADS(Advanced Design System) to design a single stage amplifier with the negative feedback technology, then measure and debug it to get the measured data, but we found the s
6、ingle stage low-noise amplifier with negative feedback cant achieve the desired requirements. Afterwards we modify the design, by cascading the stable single-stage low noise amplifier based on a negative feedback network to constitute the two stage low-noise negative feedback amplifier, and add an a
7、ttenuation network at the output. Eventually, in the 0.23GHz to 1GHz operating frequency, the low noise amplifier approaches the designing indicator with a gain of 20dB, and the VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) is less than 1.6，and the noise figure is less than 4dB. The performance of simulation an
8、d co-simulation results is good, the desired design requirements is achievedKey words: low noise amplifier, P band, negative feedback, attenuation 目录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1 低噪声放大器的研究意义11.2 低噪声放大器的发展11.3 低噪声放大器的研究现状11.4 本文主要内容2第2章 低噪声放大器的设计理论基础32.1 低噪声放大器的特点32.2 低噪声放大器的主要技术指标32.2.1 噪声系数和噪声温度32.2.2 低
9、噪声放大器的功率增益与增益平坦度42.2.3 端口驻波比82.2.4 非线性特性82.2.5 动态范围92.3 稳定性92.4 本章小结11第3章 低噪声放大器的设计123.1 低噪声放大器设计的一般步骤123.2 低噪声放大器的一般结构123.2.1 单级低噪声放大器的一般结构123.2.2 两级低噪声放大器的一般结构133.3 低噪声放大电路的比较133.4 负反馈网络143.4.1 负反馈网络的理论分析143.4.2 负反馈网络的分类163.5 阻抗匹配理论163.5.1 集总参数元件匹配网络的设计173.5.2 分布参数元件匹配网络的设计183.6设计指标与器件选择203.6.1 拟实
10、现的各项指标203.6.2 晶体管的选择213.6.3 电阻、电容及基板材料的选择223.7 本章小结22第4章 单级低噪声放大器的仿真设计234.1 直流偏置网络的设计与仿真234.2 负反馈网络的设计与仿真274.3 输入、输出匹配网络294.3.1 输入匹配网络294.3.2 输出匹配网络324.4 本章小结34第5章 两级低噪声放大器的仿真设计355.1 衰减网络的设计与仿真355.2 两级低噪声放大器的仿真365.3 匹配网络的实现395.4 两级低噪声放大器的版图实现405.5 本章小结41结论42致谢43参考文献44附录146附录254西南科技大学本科生毕业论文第1章 绪 论1.
11、1 低噪声放大器的研究意义 低噪声放大器的主要作用就是把天线从空中接收到的微弱信号放大，减少噪声干扰，以供系统解调出我们所需要的信息数据。现在人们对各种无线通信工具的要求也越来越高，例如要求功率辐射要尽可能小，作用距离要尽可能远、覆盖范围要尽可能广等，这就对通信系统的灵敏度提出了更高的要求。因此，位于射频接收系统前端的LNA的优劣直接影响接收机的整体性能1。 低噪声放大器广泛地运用在无线电通信系统的前端，放大接收某一频率范围的有用信号。因此，掌握相关的软件仿真技术以及电路版图的实现方法，具有实际的工程价值。1.2 低噪声放大器的发展随着信息社会信息量的快速增长，宽频带、高频率、高传输速率已成为
12、移动通信系统的发展趋势，也是当今移动通信技术研究的热点之一2。 宽带技术是一种无线载波通信技术，具有传输速率高，抗干扰能力强，功耗小，结构简单，保密性好等一系列优点。 宽带技术应用十分广泛，无线局域网，智能交通系统等民用通信领域和雷达跟踪，精确定位，成像等军事领域都拥有巨大的市场。 宽带低噪声放大器(Wide Band Low Noise Amplifier,WBLNA)设计的主要困难在于要在较大的频带范围内，实现较低的输入输出损耗、较高的增益及平坦度、较低的噪声系数。 同时，随着微波晶体管向着低噪声，高频率，高效率及大功率发展，为了满足产品功能要求越来越多样化，产品的设计周期越来越短，产品尺
13、寸要求也越来越小，微波晶体管发展的同时微波仿真软件也在迅速发展，以辅助设计人员更好的设计。未来微波低噪声放大器的研究重心将会转向更低的噪声系数，更宽的工作频带，更高的工作频率，同时集成化和标准化发展也是发展趋势3。 1.3 低噪声放大器的研究现状 对于宽带低噪声放大器来说，除了正向增益不可能保持常数之外，还存在一些问题，如：输入、输出反射系数随频率而改变输入，高频时噪声系数将会恶化，驻波比差等。同时，扩展带宽的主要方法就是频率补偿匹配网络和负反馈技术。目前，国内对于这种宽带放大器的研究还不是很多，相比之下，国外对于这方面的研究就多得多。 随着半导体技术的不断发展，单片微波集成电路(Monoli
14、thic Microwave Integrated Circuit,MMIC)逐渐成为了人们的研究热点。比如Mingqi Chen, William Sutton, IouliaSmorchlova, Benjamin Heying4等人就是运用这种技术，完成首个没有运用分布式放大器电路结构而完成频率为125GHz低噪声放大器的设计。放大器性能为：在整个带宽内增益大于13dB，噪声系数小于4.6dB，输入、输出反射系数都小于-10dB。放大器是MMIC开发得最活跃、取得成果最多的一个领域5。现在，MMIC已成为高科技电子系统的重要支柱，不仅军事上应用广泛，在无线通信、全球定位系统、个人卫星通信
15、网等民用方面也拥有巨大的市场68。 目前，国内的低噪声放大器研制水平与国外的一些发达国家相比，还有一些差距，主要是体现在制作工艺方面，国内很多优秀企业和科研机构在产品的设计思想和方法上，也已具有较高的水平9。1.4 本文主要内容 本文以低噪声放大器的基础理论为基础，通过对低噪声放大器的各项性能指标和设计方法讨论分析，采用负反馈的方法分别设计了一个单级和双级的P波段的低噪声放大器，最后再进行版图设计。本文主要由五个章节构成，各章节的主要内容如下：第一章 ，简要地介绍了低噪声放大器的研究意义、发展趋势以及研究现状。 第二章，对低噪声放大器设计的理论基础进行了简要的叙述，包括噪声系数、驻波比、稳定性等。第三章，详细地给出了低噪声放大器设计的一般步骤和实现的电路
