（无线电物理专业论文）小型化平衡式低噪声放大器的研制.pdf

摘要 移动通信领域的迅猛发展，刺激了移动通信网络相关产品的研发，加上半导 体科技的不断进步，使得移动通信网络产品大量使用微波集成电路，以求小型化 和降低成本。在这些产品中，低噪声放大器是不可或缺的一部分，其电路的结构 在很大程度上影响着产品的小型化。另外，通信系统接收灵敏度的要求越来越高， 低噪声放大器作为系统的前端关键部位，对其性能提出了更高的要求。本文首先 介绍了一种基于超微细混合微波集成技术的平衡式低噪声放大器，并在此平衡放 大器的基础上设计了一种选频放大模组。本文主要包括以下内容： 第一章简要讲述了移动通信的历史和发展，以及低噪声放大器在移动通信中 的应用及相关的电路工艺。 第二章介绍了低噪声放大器的基本理论和设计原理，首先介绍了低噪声放大 器的各项性能指标，例如增益、噪声系数和稳定性等，接着详细分析了低噪声放 大器的设计原理。 第三章详细介绍了平衡式低噪声放大器的具体设计过程，首先确定低噪声放 大器所要达到的具体指标，并根据此指标进行方案设计。对比分析后，选择了平 衡式电路结构，接着利用仿真软件a d s 进行偏置电路和匹配网络的设计，最后对 整体电路进行优化设计。 第四章介绍了基于平衡式低噪声放大器的选频放大模组，根据类椭圆函数滤 波器的原理设计了一个中心频率为1 9 5 g h z 的滤波器，并与平衡式低噪声放大器 组成选频放大模块，然后用a d s 进行了优化仿真。 第五章介绍了平衡式低噪声放大器和选频放大模组的工艺实现，并对实际电 路进行调试、测量和分析。 第六章，对所作工作进行总结。 本课题所设计的平衡式低噪声放大器在工作频带内具有很好的性能，达到了 设计指标的要求，体积小，可用于w c d m a 直放站系统，减小了系统的体积，有利 于直放站系统的小型化。 关键词：低噪声；平衡式；选频 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a ss t i m u l a t e dt h er e s e a r c ho f r e l a t i v ep r o d u c t s w i t ht h ec o n t i n u o u sp r o g r e s so fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g i e s ，t h e p r o d u c t s o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka l eu s i n g m o s t l yt h e m i c r o w a v e i n t e g r a t e dc i r c u i t st oa c h i e v et h em i n i a t u r i z a t i o no fp r o d u c t sa n dt or e d u c ec o s t s i n t h e s ep r o d u c t s ，t h el o wn o i s ea m p l i f i e ri sa ni n d i s p e n s a b l ep a r t ，w h o s ec i r c u i t s t r u c t u r eh a sa ni m p a c to nt h em i n i a t u r i z a t i o no fp r o d u c t s i na d d i t i o n ，b e c a u s eo ft h e r e q u e s tt ot h es e n s i t i v i t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mr e c e i v e ri sh i g h e ra n dh i g h e r , t h e l o wn o i s ea m p l i f i e rw i t hah i g h e rp e r f o r m a n c ei si nn e e d ，w h i c hi st h ek e y p a r to f t h e s y s t e m f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rp r e s e n t sab a l a n c e dl o wn o i s ea m p l i f i e rb a s e do nt h e s u p e r f i n eh y b r i dm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t st e c h n o l o g y , a n dt h e n , af r e q u e n c y s e l e c t i n ga m p l i f i e rm o d u l eb a s e do nt h i sb a l a n c e dl o wn o i s ea m p l i f i e ri sd e s c r i b e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： c h a p t e r 1 b r i e f l y i n t r o d u c e st h e h i s t o r y a n d d e v e l o p m e n t o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o n so ft h el o wn o i s ea m p l i f i e ri n t h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n sa n dt h ec i r c u i tt e c h n o l o g y t h eb a s i ct h e o r ya n dt h ep r i n c i p l e so fd e s i g n i n go ft h el o wn o i s ea m p l i f i e ri s d e s c r i b e di n c h a p t e r2 f i r s t ，i tp r e s e n t s t h ev a r i o u sp a r a m e t e r sd u et ot h e p e r f o r m a n c e so ft h el o wn o i s ea m p l i f i e r , f o re x a m p l e ，g a i n ，n o i s ef i g u r e ，s t a b i l i t y , a n ds oo n a n dt h e n ，t h ep r i n c i p l e so fd e s i g n i n ga r ea n a l y z e di nd e t a i l c h a p t e r3d e s c r i b e st h ed e s i g np r o c e s so ft h eb a l a n c e dl o wn o i s ea m p l i f i e ri n d e t a i l f i r s t ，t h ei n d i c a t o r so ft h el o wn o i s ea m p l i f i e ra r ed e t e r m i n e d ，a n dw i t ht h e s e i n d i c a t o r s ，t h ep r o j e c ti sd e s i g n e d a f t e rc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，t h eb a l a n c e dc i r c u i t s t r u c t u r ei sc h o s e n a n dt h e nt h eb i a sc i r c u i ta n dm a t c h i n gn e t w o r ka r ed e s i g n e dw i t h a d s ，f i n a l l y , t h ew h o l ed e s i g ni so p t i m i z e d c h a p t e r4p r e s e n t saf r e q u e n c ys e l e c t i n ga m p l i f i e rm o d u l eb a s e do nt h e b a l a n c e dl o wn o i s ea m p l i f i e r a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fq u a s i e l l i p t i cf u n c t i o nf i l t e r , af i l t e ri sd e s i g n e dw i t hac e n t e rf r e q u e n c yo f1 9 5 g h z ，w h i c hi si n t e g r a t e dw i t ht h e 1 1 1 b a l a n c e dl o wn o i s ea m p l i f i e rt oc r e a t eaf r e q u e n c ys e l e c t i n ga m p l i f i e rm o d u l e ，a n d t h e no p t i m i z ei tw i t ha d s c h a p t e r5p r e s e n t st h er e a l i z a t i o no ft h et e c h n o l o g yo ft h eb a l a n c e dl o wn o i s e a m p l i f i e ra n df r e q u e n c ys e l e c t i n ga m p l i f i e rm o d u l e t h ep r a c t i c a lc i r c u i t i s d e b u g g e d ，t e s t e da n da n a l y z e d c h a p t e r6s u m m a r i z e st h ea b o v ew o r k t h eb a l a n c e dl o wn o i s ea m p l i f i e rm e n t i o n e di nt h i ss u b j e c tp r e s e n t sag o o dw o r k p e r f o r m a n c ei nt h ew o r k i n gf r e q u e n c y , h a v i n ga c h i e v e dt h er e q u e s tt ot h ei n d i c a t o r s ， a n ds m a l l ，c o u l db eu s e di nt h ew c d m a r e p e a t e rs y s t e m ，s oc a nr e d u c et h es i z eo f t h es y s t e ma n dr e a l i z et h em i n i a t u r i z a t i o no ft h er e p e a t e r k e yw o r d s ：l o wn o i s e ；b a l a n c e d ；f r e q u e n c ys e l e c t i n g 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论 文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人 依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ： 7 帚 多悉节 训归衫月珀 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的 内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 保密“在甏年解密后适用本授权书。 2 不保密( “ ( 请在以上相应括号内打“ ) 作者签名：参趸、牙乙日期：刈，年 新躲m 嗍加留年 日 日 v 二 月 月 广o厂o 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信技术的发展【l 】【2 】【3 1 移动通信技术的发展始于上个世纪2 0 年代，在过去的几十年里得到了迅猛 的发展和广泛的应用。在此期间，移动通信技术的发展大致经历了以下几代： 第一代模拟蜂窝移动通信系统，1 9 7 8 年，美国贝尔实验室研制成功移动电话 系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状移动通信系统。其它工业化国家也相继开发出蜂 窝式移动通信网。这一阶段相对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实 验室提出的蜂窝网概念。第一代移动通信系统的典型代表是美国的a m p s 系统 和欧洲的t a c s 系统。第一代移动通信系统基于模拟传输，其特点是业务量小、 质量差、没有加密和速度低。 第二代移动通信系统是数字通信系统，是以数字和语言通信业务为主的窄带 移动通信技术。数字移动通信网相对于模拟移动通信，提高了频谱利用率，支持 多种业务服务，并与i s d n ( 综合业务数字网) 等兼容。第二代数字蜂窝移动通 信系统的典型代表是美国的i s 一9 5 系统和欧洲的g s m 系统。 第三代是以高速互联网业务和有限多媒体业务为目的的宽带移动通信技术， 即人们所称的3 g ，其最基本的特征是智能信号处理技术，智能信号处理单元将 成为基本功能模块，支持话音和多媒体数据通信，它可以提供前两代产品不能提 供的各种宽带信息业务，例如高速数据、慢速图像与电视图像等。第三代移动通 信的目标就是要实现移动宽带多媒体通信，其核心技术是c d m a 技术。目前有 三大主要体制w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - - s c d m a ，其中w c d m a 是三大标准 中技术最成熟，得到厂商的支持最多，运营商在已建网络中选择应用的最多的标 准。 第四代以宽带接入和分布网络为特点的多功能集成宽带移动通信技术，目前 正在大力研发中。第四代移动通信技术可称为宽带接入和分布网络，具有超过 2 m b i t s 的非对称数据传输能力。它包括宽带无线固定接入，宽带无线局域网 ( w e a n ) ，移动宽带系统和互操作的广播网络，可以在不同的固定、无线平台和 跨越不同的频带网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网包括卫星 小型化、l ，衡式低噪声放人器的研制 通信和平流层通信，能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外， 4 g 将是多功能集成的宽带移动通信系统，也是宽带接入口系统，即4 g 将是多 种无线技术的综合系统，它融合了现有3 g 的增强技术，集3 g 网络技术和无线 l a n 系统为一体。 1 2 低噪声放大器在移动通信系统中的应用 移动通信技术的蓬勃发展，使得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，对移动通信设备性能的要求越来越高，无线通 信接收机的性能也越发显的重要。而在接收系统中，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性能。与普通放大器相比， 低噪声放大器不但可以减小系统的杂波干扰，提高系统的灵敏度；还可以放大系 统的信号，保证系统工作的正常运行。可以不夸张的说，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。随着新材料、新工艺的不断出现，以及半导体技术的迅速发展， 各种新的射频模组层出不穷，使得微波、毫米波有源电路的研制周期不断缩短， 电路集成度越来越高，体积越来越小。因此，研制合适的高性能、低噪声、小体 积的微波放大器，已经成为微波通信系统设计中的核心技术之一。 1 3 微波电路工艺【4 】【5 】【6 】 微波器件的发展和微组装工艺的进步极大地推动了微波低噪声放大器及相 关模组的发展。早期用于移动通信网络的微波电路多采用混合微波集成电路 ( h 】i c ) ，混合微波集成电路是由半导体集成工艺与薄( 厚) 膜工艺结合而制成 的集成电路，它与半导体集成电路相比具有独自的特点，不仅可弥补半导体集成 电路的不足，而且能充分发挥半导体集成电路高集成度、高速等特点。混合微波 集成电路是在基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互连线，并在同一基片 上将分立的半导体芯片、单片集成电路或微型元件混合组装，再外加封装而成。 它与分立元件电路相比，具有组装密度大、可靠性高、电性能好等特点。 近年来，多芯片组装( m c m ) 技术在微波电路设计中也被广泛关注，它是 实现多功能部件的高密度组装的一种技术。m c m 技术是一种典型的高级混合集 成技术，是混合微电子技术向高级阶段发展的集中体现，它把多块裸露的i c 芯 片和其他微型元器件( 含片状元器件) 连接于同一块共用的高密度介质基板上，并 2 第一章绪论 封装在同一管壳内所构成的具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件。 m c m 的特点是封装密度高、体积小、重量轻。采取m c m 结构形式是实现微波 毫米波模块微小型化的有效途径。由于在微波频段，各种寄生效应极易产生，而 m c m 把多块裸芯片封装在同一管壳中进行互连，大大缩短了同一电气网络互连 线，从而减小了传输阻抗和电路的各种寄生参数。基板或称衬底是m c m 的基础， 它为m c m 提供机械底座，控制组件温度，并为m c m 提供一个衬底。m c m 产 生的热量大部分由衬底耗散掉，衬底还应能承受住由热膨胀引起的机械应力。 随着加工工艺的进步，微波电路进一步提高了性能，并朝着集成化、小型化 的方向发展。本文采用的超微细混合集成技术是一种小型化的混合集成电路技 术，本课题运用它来解决微波低波段分布参数电路小型化的问题。 1 4 研究内容 近年来，随着半导体工艺的不断进步，陆续出现了一些高性能、小体积的器 件和l t c c 之类的新型材料，且微组装工艺技术也逐步发展成熟。根据国内技术 和工艺条件合理地选择方案，使用先进的微波技术、微组装工艺以及新材料，研 制出尺寸小，重量轻，性能优良的微波电路组件，是现在国内组件设计的重要的 课题。本课题采用超微细混合微波集成技术，研制可应用于移动通信领域的小型 化的微波低噪声放大器，并在此基础上设计了选频放大模组。 全文共有六章，第一章为绪论，主要介绍了低噪声放大器在移动通信领域中 的应用和微波电路的制作工艺。第二章主要论述了微波低噪声放大器的基本理论 与设计方法。第三章提出了平衡式低噪声放大器的具体设计方案，并利用c a d 软件对放大器进行优化设计，并对仿真中出现的问题进行分析。第四章主要讨论 选频放大模组的设计，对模组中采用的滤波器进行分析设计。第五章给出了本次 设计的工艺实现和测试结果，将仿真结果进行比较分析，并提出了改进方向。最 后一章是总结，对本文的工作进行总结。 本论文的主要创新在于利用先进工艺，在微波低波段组件的小型化上做了一 些研究，研制了集成度高、性能好的平衡式低噪声放大器，研制结果达到了预期 的要求。 小型化平衡式低噪声放人器的研制 第二章微波低噪声放大器的基本理论与设计 2 1 微波晶体管 微波晶体管是现代r f 和微波系统中的关键部件，可用做为放大器、振荡器、 开关、相移器和有源滤波器。晶体管可分类为结型晶体管( j u n c t i o nt r a n s i s t o r ) 和场效应晶体管( f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 。其中，结型晶体管包括双极结型晶体 管( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ，b j t ) 和异质结双极型晶体管( h e t e r o j u n c t i o n b i p o l a r j u n c t i o nt r a n s i s t o r ，h b t ) 。而场效应晶体管有多种类型，包括金属半导 体场效应晶体管( m e t a ls e m i c o n d u c t o rf e t ，m s e f e t ) 、高电子迁移率晶体管 ( h i g he l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r ，h e m t ) 、假晶态高电子迁移率晶体管 ( p s e u d o m o r p h i eh i g he l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r ，p h e m t ) 等等【7 】【8 】【9 1 。 现代结型晶体管一般都采用硅、硅锗、砷化镓和铟磷材料制成的，其中硅 结型晶体管由于低成本并在频率范围、功率容量和噪声特性方面有良好的工作性 能，因而已成为使用年代最长和最流行的有源r f 器件之一。f e t 晶体管技术已 持续发展了5 0 多年，第一个结型场效应管是在2 0 世纪5 0 年代开发出来的，而 h e m t 的提出则是在2 0 世纪8 0 年代初期。不同于结型晶体管( 由电流控制) ， f e t 是电压控制器件。g a a sf e t 和h e m t 应用于低噪声放大器特别合适，因为 这些晶体管与其他任何有源器件相比，有更低的噪声系数。表2 1 概括了一些最 流行的微波晶体管的性能【8 1 。 表2 1 微波晶体管的性能 s is is i g c g a a sg a a sg a a s 器件 b j tc m o sh b tm e s f e th e m th b t 适用频率范围( g h z )1 02 03 04 0 典型增益值( d b ) l o 1 51 0 - - 2 0l o 1 5 5 2 0l o 2 01 0 - - 2 0 噪声系数( d b ) 2 01 00 61 0 ( 频率)( 2g h z )( 4g h z )( 8g a z )( 1 0g h z )( 1 2g h z )( 1 2g i - i z ) 功率容量高低中等中等中等高 4 第一二章微波低噪声放人器的桀奉原理j 设计 2 1 散射矩阵概述 散射矩阵( s 矩阵) 是微波网络中很常用的一种矩阵形式，因为在微波频率 下，要测量电压和电流时存在着实际问题，若直接测量通常会涉及到给定方向的 行波或驻波的幅值和相位，而相关的阻抗和导纳在概念上也会变得有些抽象。而 由散射矩阵给出的入射波、反射波、和透射波的概念是与直接测量更为相符的表 示方法。 与n 端口网络的阻抗和导纳矩阵相仿，在它的端口上看，散射矩阵能提供 网络的完整描述。因为在微波器件中最常见的是二端口器件，因此本文以二端口 网络为例来阐述s 矩阵的概念。如图2 1 所示的线性二端口网络，a l 、a 2 、b 1 、 b 2 分别为端口l 和端口2 的入射波分量和反射波分量，以入射波分量为自变量， 反射波分量为因变量，可以得到s 参量矩阵方程【8 】【1 0 】【1 l 】： s 专 一 线。忙e ) b 1 二端口网络 ( b 2 - - -专 _ 一 s 控 图2 1 线性二端口网络 尊= s n a i + s i 2 a 2 ( 2 1 ) 【b 22s 2 l a l + s 2 2 a 2 用矩阵形式表示为： 阱匮地 旺2 ， 式中，s o 表示微波器件的散射参量，简称为s 参量( i ，j = 1 或2 ) ， s 表示微波 器件的散射矩阵，简称为s 矩阵。散射矩阵s 各散射参量的定义为：s ： 散射参量s l l 表示端口2 外接匹配阻抗z o 时，向端1 ：31 看去的反射系数；散 射参量s 2 1 表示端口2 外接匹配阻抗z o 时，从端口1 到端口2 的传输系数；散射 参量s 1 2 表示端i = 11 外接匹配阻抗z o 时，从端口2 到端口1 的传输系数；散射参 小型化甲衡式低噪声放人器的研制 量s 2 2 表示端口l 外接匹配阻抗z o 时，向端i ：12 看去的反射系数。在工程应用中， 一般把z o 定义为5 0 欧姆。 需要注意的是，网络的s 参量只是网络本身的特性，它是所有端口均匹配的 条件下定义的，改变网络的端接负载或激励状况不会改变其s 参量，但会改变向 给定端口看去的反射系数或两个端口之问的传输系数。 2 3 低噪声放大器性能 低噪声放大器( l o w n o i s ea m p l i f i e r ，l n a ) 是射频接收机的主要部分，由 于它位于接收机的最前端，其性能指标的好坏对接收机整体性能有很大的影响。 因此在设计低噪声放大器时，首先应了解其性能指标，以下主要对低噪声放大器 的功率增益、噪声系数、稳定性和驻波比等性能指标加以介绍。 2 3 1 功率增益 放大器的功率增益有多种定义，考虑两端分别连接源和负载阻抗z ，和z ：的 放大器作为一个二端口网络，如图2 2 所示，根据该网络的s 参量以及源和负载 的反射系数r s 和f 。，我们可以定义三种类型的功率增益【8 】： 功率增益g ：负载吸收的功率p l 与传送到二端口网络的输入功率p i n 之 比，表达式为： 乳每= 捌1 器 泣 兄( 一l l l 2 ) 1 1 一s ：r 1 2 可用增益g a ：来自二端口网络的可用功率p 帅与来自源的可用功率p 吖。 之比，表达式为： g = 每= 高黜备 4 ) 转换功率增益g t ：负载吸收的功率p l 与来自源的可用功率p 。v 。之比， 表达式为： g r ：旦：瞄掣二噬! ( 2 5 ) 。 1 1 - r s l l 2 i i - s ：r 1 2 6 第一二章微波低噪声放人器的基本原理j 设计 v s 图2 2 常用的晶体管放大电路 上面三种功率增益之间存在以下换算关系： q = 乏寺冬娟m。厶己厶 q = 乏= 苦每划z q1 只。p 删只。 4 式中m 。和鸩分别为输入端和输出端的失配系数1 2 1 。 z l ( 2 6 ) 一般情况下，m l ，m ： 1 ，所以q g ，g q 。若输入和输出同时 共轭匹配，则有m 。= m ：= 1 ，此时，g 眦= q 一= q 。 在许多实际情况下，墨：小到可以忽略，即j 墨：i = o ，此时可以假定有源器件 为单向性器件，这样又可以定义单向转换增益： 。 g 础= 篙瓣 眨7 ， 对于放大器的设计，最常用的增益定义是式( 2 5 ) 的变换功率增益，该式 考虑到了源和负载均失配的情况。由式( 2 5 ) 出发，输入匹配网络、晶体管自 身和输出匹配网络分别定义其有效增益系数如下： g = 器 亿8 ， g o = 阮1 2 ( 2 9 ) q = 岛 亿 则总变换增益是g = q g o q 。 7 小型化、f 衡式低噪声放人器的研制 2 3 2 噪声系数 噪声系数表征了放大器的噪声性质，它是在放大器的输入和输出之间的信噪 比递降的一种量度，其定义如下【8 】【1 3 l ： f ：旦盟( 2 1 1 ) s o | n o 式中，s i ，n i 分别是放大器输入端的信号功率和噪声功率：s o 和n o 分别是放大 器输出端的信号功率和噪声功率。如果系统是无噪的，不管系统增益多大，输入 的信号和噪声都以同一个因子被放大，没有添加任何噪声，所以信噪比是不变的。 而有噪系统的噪声系数均大于1 。 噪声系数通常分贝数来表示： n f ( d b ) = 1 0 1 9 ( f ) ( 2 1 2 ) 当放大器的噪声系数很小时，用噪声系数来描述放大器的噪声变得很不方 便，此时可以用噪声温度t c 来描述。噪声系数和噪声温度之间的关系是： 乙= r o ( f 一1 ) ( 2 1 3 ) 式中，t o 为环境温度，通常取为2 9 0 k 。 利用式( 2 9 ) 可以算出噪声系数值与噪声温度值的对应关系，表2 2 列出了 其中一些的对应关系，从表中可以看出噪声温度对与放大器的噪声性能提供更高 的分辨率。 表2 2 噪声系数与噪声温度对应关系 n f ( d b ) o 4 o 6 o 81 0 1 52 02 53 0 f1 0 9 61 1 4 81 2 0 21 2 5 9 1 4 1 31 5 8 51 7 7 81 9 9 5 t e ( k ) 2 7 84 3 05 8 77 5 11 1 9 81 6 9 72 2 5 62 8 8 6 在实际应用中，单级放大器不能满足增益要求，就必须采用多级级联的形式， 这时需要根据各级电路的增益和噪声系数来计算总的噪声系数： 肚只+ 等+ 嚣+ 眩 式中f 表示多级放大器总的噪声系数：f l 、f 2 和f 3 分别表示第一、第二和第三 第一二章微波低噪声放人器的皋本原理与设计 级的噪声系数；g l 和g 2 分别表示第一和第二级放大器的功率增益。从式中可以 看出，要使整机的噪声低，第一级放大器的噪声系数必须尽量低，且其增益g l 要足够大。 2 3 3 稳定性 放大器的设计中，首先要考虑的是其工作频带内的稳定性，这是因为晶体管 内部都存在反馈，s 1 2 就表示其内部反馈量，它是电压波的反向传输系数。s 1 2 越 大，内部反馈越强，当反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚 至产生自激振荡。一旦电路产生了自激，就会使放大器不能正常工作，使得各种 测量不准确，此时再去讨论放大器性能的好坏将变得没有意义。 考虑图2 2 的放大器电路，因为r i 。和r o m 与源和负载匹配网络有关，因而 放大器的稳定性依赖于通过匹配网络提供的r s 和r l ，所以稳定性定义为以下两 类： 无条件稳定：假如对所有无源信号源和负载阻抗，有lr i n i 1 和i r o 。，l l ( 且 i f s l 和l r l l 1 ) ，则这个网络是无条件稳定的。 条件稳定：假如只对某些确定范围的无源信号源和负载阻抗，有l r j 。i 1 和l r o u 。i l ，则这个网络是条件稳定的。 放大器电路的稳定性条件常常是与频率相关的，一个放大器在它的设计频率 处稳定而在其他频率处不稳定是可能的，但往往我们所希望的是在所有频带内放 大器都是稳定的。在低噪声放大器的设计中，对放大器的稳定性要求很高，需要 对任意频率都能达到无条件稳定。 2 3 4 驻波比 微波放大器通常设计用于特征阻抗为5 0 q 的微波系统中，输入输出驻波比 表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统的匹配程度，驻波比( s w r ) 的计 算公式如下： 滞 眨 姗2 谛 j 5 f ：z - z o( 2 1 6 ) z + z o 其中，r 为反射系数，z 为放大器输入或输出端的实际阻抗，z o 为系统特征阻抗 9 小型化、f 衡式低噪声放人器的研制 ( 一般为5 0 q ) 。 在放大器的实际设计过程中，更常通过观察s 参量中的s l l 和s 2 2 大小来判 断输入输出端口的匹配情况。s l l 、s 2 2 与驻波比之间的换算关系为： s w r ：业l ( 2 1 7 ) l i 品i 式中s 证为s l l 或s 2 2 。 对于低噪声放大器而言，其最主要的指标是噪声系数，所以输入匹配电路一 般是按照最小噪声系数来设计，其结果必然偏离使驻波比最佳的共轭匹配状态， 导致驻波比上升。此时，为了减小驻波比上升引起的端口反射对系统产生的影响， 可以在输入端加隔离器或采用平衡电路的形式。 除了以上几项外，低噪声放大器的增益平坦度、工作频率、动态范围及l d b 压缩点等指标也很重要，设计时也要加以考虑。 2 4 低噪声放大器设计 设计低噪声放大器首先应根据所需要达到的指标选择合适的晶体管，然后要 从稳定性、噪声和增益等多方面进行考虑。通过对晶体管稳定性、等噪声圆以及 等增益圆等进行分析，确定相关电路参数，最终实现设计目标。 2 4 1 晶体管选择 晶体管的选择作为低噪声放大器设计的前期工作，对于整个设计过程都有着 极为重要的作用。因为如果晶体管选择得当，则设计过程将会相对顺利，指标可 以达到。反之，若是在设计过程中遇到由晶体管本身特性限制所引起的问题，就 会导致放弃该晶体管，重新选择其它晶体管，这样就会增加设计周期和成本。对 于低噪声放大器，选择晶体管时首先应关注其最低噪声系数和最大可用增益，这 样才能保证具有良好的噪声性能，同时有足够的增益来抑制后级的噪声。另外， 还需注意晶体管的驻波大小，在选择时要综合考虑这些因素，看其整体性能。 2 4 2 稳定性判定 上一节简要介绍了放大器的稳定性指标，这节讨论如何判断放大器的稳定 性。放大器的稳定性分析可以结合s m i t h 圆图进行，通常采用稳定性判定圆或者 稳定性判据来确定放大器的稳定性。 1 0 第、二章微波低噪声放人器的基本原理j 设计 2 4 2 1 稳定性判定圆【8 】 将放大器视为一个两端口网络，该网络由s 参数及外部终端条件r s 和r l 确 定，可得到放大器的稳定条件： l i 1 l l 1 叫瓯+ 剁 ， 旺 叫s ：+ 制 用s m i t h 圆图可方便地求出r s 和r l 的范围并画出输入和输出稳定性判别圆， 该稳定性判别圆被定义为| r i n i 1 或i r o 。i = 1 】在r l ( 或r s ) 平面上的轨迹： 令i r 。l - 1 ，可以解得输出稳定性判别圆为：i r l - c 。m i - 民咿如图2 3 ( a ) 所示 舯匦心2 箭等泮锄矿 ，a = s ll s 2 2 一s v , s 2 1 。 令i r o 。t i = 1 ，可以解得输入稳定性判别圆为：l r l c i 。t = r i n ，如图2 3 ( b ) 所示 舯匦心巴2 莆并，半釉加= r ( a ) 输出稳定性圆 ，= s 1 1 8 2 2 - s 1 2 1 2 1 。 ( b ) 输入稳定性圆 图2 3 复平面r l 上的输出稳定性判定圆j r i i = 1 及复平面r s 上的输入稳定性判定i 勇l l r o 。i = 1 小型化平衡式低噪声放人器的研制 2 4 2 2 稳定区域判定 根据稳定性圆的定义，我们可知在输出稳定性圆的一侧将有i 几i 1 。同样，在输入稳定性圆的一侧将有f f o w i l 。下面我 们来讨论下s m i t h 圆图上哪个区域代表i r , 疗l l 和i r o 圳i 1 的稳定性区域。 考虑画在r l 平面上的对于l s l l i 1 的输出稳定性圆，如图2 4 所示。 假如我们设z l = z o ，则f l = 0 ，由式( 2 1 4 ) 可矢n l r i 。i = l s l l i 。现在，若i s l i l l ，贝j l l r i 。i 1 ，所以f r o 必在非稳定区 域内，即s m i t h 圆图的中心必定在非稳定区域。此时，稳定区域是稳定性圆的内 部区域与s m i t h 圆图相交的阴影部分，如图2 4 ( b ) 所示。类似的结果适用于输 入稳定性圆。 ( a ) i s n i i 图2 4 条件稳定的器件的输出稳定性圆 i r - i l 穗定区域) 2 4 2 3 无条件稳定 无条件稳定是指在选定的工作频率和偏置条件下，放大器在整个s m i t h 单位 圆内始终处于稳定状态，则稳定性圆必须全部在s m i t h 单位圆图的外边( 或者完 全包围s m i t h 单位圆图) ，如图2 5 所示。若i s l d 1 2 s 2 l i ( 2 2 0 ) l a i = i s 。s 挖- s 。：s ：。i i 时，式( 2 2 5 ) 和( 2 2 6 ) 才有解，所以无条件稳定器件总可以最大增益匹配，而潜在不稳定器件只有在 k i 和| i l 时，才可以最大增益匹配。 对于单向晶体管，情况变得比较简单，此时s 1 2 = 0 ，则f s = s i l 和f l - - - - s 2 2 ， 最大变换增益也可以简化为： 一2 南附击 包2 幻 若晶体管只是条件稳定，则最大增益提供的结果不是很有意义，因为k 3 5 增益平坦度：优于土0 3 d b 输入驻波比：v s w r i i 2 ：1 输出驻波比：v s w r i i 2 ：1 输出l d b 压缩点功率：p 1 d b 1 7 d b m 本论文的平衡式低噪声放大器，其工作频带是w c d m a 的上行频率范围， 在工作频率范围内对稳定性、噪声系数、增益和线性度等性能有较高的要求。一 般来说，实际设计时，在保证其工作稳定的前提下，要兼顾其余各项指标，将增 益、噪声和l d b 压缩点等折衷考虑，以期得到最优的指标状况。 3 1 2 具体步骤 本论文中低噪声放大器的设计遵循低噪声放大器的一般设计准则，结合个人 实际，具体设计分为如下几个步骤： 1 确定低噪声放大器设计要求 2 根据设计要求选取放大管 3 确定放大器电路形式，如采用平衡式电路形式、放大器级数等 4 放大器直流工作点和偏置电路的确定 5 各级放大器进行输入和输出匹配电路的设计 6 对放大器整体进行仿真设计，并进行微调和优化 7 制作电路板，装配低噪声放大器 8 测量低噪声放大器的各项指标，对电路进行调试，使之达到指标要求 1 9 小型化平衡式低噪声放人器的研制 3 2 晶体管选取 在确定设计目标后，首先要做的就是选择晶体管，选择晶体管时要考虑的因 素很多，如管子的性能、封装形式和价格。对于低噪声放大器，选择管子时首先 会考虑管子的噪声性能，在噪声性能相同的情况下再去考虑其它因素。常用于低 噪声放大器的晶体管器件有结型晶体管和场效应晶体管。早期比较常用的是结型 晶体管，但随着半导体工艺和集成电路的不断发展，制造场效应管的厂家多了起 来，场效应管的性能不断提高，成本不断降低，在低噪声放大器中的应用中场效 应管成了首要选择。目前，最常用的场效应管是g a a sf e t 和h e m t ，因为它们 在噪声性能和稳定性上比较出众【2 3 1 。在众多厂商的场效应管产品中，a 舀l e n t ， m o t o r o l a ，n e c 等一些著名公司的产品，在性能和可靠性上较出众，应用市场较 大。从频率带宽、噪声系数、增益以及线性度等一系列指标上，对比了这些公司 的产品，从中选出了a 百l e n t 公司a t f 5 x 1 4 3 系列的场效应管。在此系列中又考 虑管脚封装、性价比等因素后，最终采用了a t f 5 5 1 4 3 低噪声晶体管。 a g j l e n t 公司的a t f 5 5 1 4 3 是假晶态高电子迁移率晶体管( p h e m t ) ，具有 低噪声、高线性和体积小等特点，采用4 引脚s c 7 0 ( s o t - 3 4 3 ) 的塑料贴片封 装方式，工作频率从4 5 0 m h z 到6 g h z 。低噪声、高增益和高线性的性能组合使 得5 5 1 4 3 广泛应用于手机、p c s 手持设备、w l a n 和其他应用到低噪声放大器 的系统中。5 5 1 4 3 在不同工作条件下具有不同的性能，图3 1 是工作条件为 v d s = 2 7 v ；i d s = 1 0 m a 与v d s = 2 v ，i d s = 1 0 m a 时，频率在2 g h z 处的性能曲线【2 4 】。 一 珏 奢a z t a i l 、 、 、 、 每k 一一a 1 0 “ 一z w 知- 诅l 1 z i4i 刚豫u 嗽v o i ( a ) 不同工作条件下增益与频率关系( b ) 不同工作条件下噪声与频率关系 第三章、f 衡式低噪声放人器的具体设计 - _ ，、 - - 、 - - a - - _ _ _ 一 - 一 一硝1晴 2 7 v伯嘲 2 34l 啊m 州日虻yi g ( c ) 不同工作条件下o i p 3 与频率关系( d ) 不同工作条件下p l d l 3 与频率关系 图3 1a t f - 5 5 1 4 3 不同工作条件下的性能曲线 从图3 1 可以看出v d s = 2 7 v ，i d s = 1 0 m a 时的各项性能都要比在v d s = 2 v ， i d s = 1 0 m a 时的各项性能要好，因此选择管子工作条件为v d s = 2 7 v ，i d s = 1 0 m a 。 附录1 给出了5 5 1 4 3 在该工作条件下的s 参数和噪声参数。 a g i l e n t 公司提供的s 参数模型，属于小信号线性模型，只是几个典型工作 点上的散射