接收前端组件的研究报告设计.docx
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接收前端组件的研究报告设计
接收前端组件的研究与设计
摘要
随着无线通信技术的不断发展,作为无线通信系统中的重要组成部分接收机,
它的应用X围越来越广泛,覆盖了包括移动通信、卫星通信、广播电视、雷达、
电子战等各个领域
本课题来自电子科技大学XX赛英科技XX,主要包括1.5GHz-1.6GHz
的开关放大器和5.3GHz-5.9GHz的限幅放大器两部分。
1.5GHz.1.6GHz的开关放
大器的开关部分为弹载机提供3路切换信号,按飞行时序使用机载天线、弹顶天
线、弹尾天线,5.3GHz.5.9GHz的限幅放大器要能承受20W的功率要求,低噪声
放大器都要满足噪声系数、增益、输入输出驻波比的要求。
本文首先介绍了课题的背景和意义,发展动态及论文的主要工作。
然后详细
介绍PIN管工作特性,以及它在微波开关和限幅器中的工作原理。
接下来叙述了
低噪声放大器(LNA)的主要技术指标以及设计方法。
随后详尽论述了本课题中
的1.5GHz"-"1.6GHz的单刀三掷开关放大器和5.3GHz"5.9GHz限幅放大器具体的
设计方案,性能指标的实现以及在设计与实现中应该注意的问题,经测试后,达
到了指标要求。
关键词:
接收前端,低噪声放大器(LNA),PIN管,开关,限幅器
Abstract
Abstract
Receiverisoneoftheimportantpartsofthewirelessmunicationsystem.With
thedevelopmentofwirelessmunicationtechnology,receiverhasbeenwidelyused
inthefieldsofmobilemunication,satellitemunication,broadcastingand
televisionmunication,radar,dcctronicwarfareandothers.
ThesubjectesfromChengduSineScienceandTechnologyLt止mainly
including1.5GHz-1.6GHzswitchingamplifierand5.3GHz-5.9GHzlimitingamplifier.
The1.5GHz一1.6GHzswitchingamplifierpro稍嚣threeswitchingsignals,andthe
5.3GHz-5.9GHzlimitingamplifiercanreceive20wpulsepower.Thelownoise
amplifiersinthetwoprojectshavetomeettherequirementsofnoisefigure,gain,and
inputandoutputvoltagestandingwaveratio.
Atfirst,thedesigningprincipleofthecriticaldevicesofRF(radio蛔uency)
front-endreceiverisintroducedintlliSpaper.ThentheoperationalcharacteristicofPIN.
anditsapplicationinmicrowaveswitchandlimiterisrepresented.Afterma乞themain
technologicalindexanddesigningmothedofLNA(10wnoiseamplifier)are
demonstrated.Subsequently,theschemeoftheswitchingamplifierwiththefxcquency
range1.5GHz"-'I.6GHzandthelimitingamplifier、析廿lthefrequencyrange5.3GHz~
5.9GHz,therealizationofperformanceindices,andsomequestionswhichmustbe
paidattentioninthemoduledesignarepresented.Finally,thetestingresultsaregiven
andmeettheindexrequirements.
Keywords:
receiverfront-end,Low-noiseamplifier(LNA),PIN,switch,limiter
第一章绪论
1.1课题提出的意义、背景及国内的发展动向
1.1.1课题提出的意义、背景
1891年,法国人爱杜阿德·布朗利发明了粉末检波器,但他没有看到粉末检波
器的实际应用。
根据粉末检波器的原理,俄国人波波夫制作了一台雷雨指示器的
接收机,但这台接收机没有天线,所以应用X围有限。
意大利人马可尼也制作出
了一台接收机,并且他发现在接到他的接收机的导线末端加上大的金属板,接收
机的接收距离便可大大增加,后来马可尼改进了粉末检波器,于1899年完成了跨
越英吉利海峡的通信,接着又成功穿越了大西洋。
1906年美国海军将军顿乌迪发
明了晶体检波器,用它制造了灵敏度更高的石英接收机。
后来由于福莱明真空管
和德福雷斯三极管的出现,石英接收机被美国无线电工程师阿姆斯特朗发明的再
生式接收机代替。
1918,阿姆斯特朗利用真空三极管作本地振荡器社、混频器和
射频信号放大器,发明了超外差式接收机,它将接收到的射频信号与本振信号混
合后,产生一个固定的中频信号,该中频信号再经福莱明真空管检波得到所要的
音频信号。
1948年美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉坦发明了晶体三极管,
取代了电子管的,1959年美国的基尔比和诺伊斯又发明了集成电路,从此微电子
技术诞生了,接收机的体积也越来越小。
超外差式接收机是现代接收机的主要形
式【11。
随着以电子技术、微处理技术进步为基础的无线通信技术的快速发展,作为
无线通信系统中的重要组成部分接收机,它的应用X围越来越广泛,需求量越来
越大。
在民用方面,接收机主要应用于移动通信、卫星通信、电视广播等。
移动通
信实现了人们不受时间和空间的限制进行通信,适应了现代信息社会的需要。
目
前正在全力开发和实施的第三代移动通信,其主要特点是无缝全球漫游、高速率、
高频谱利用率、高服务质量、低成本和高XX性等。
卫星通信系统已经成为世界
电信结构中的重要部分,并一直在为全球几十亿人提供着、数据和视频等业
务。
卫星通信具有覆盖X围广、建设速度快、建设费用低、抗灾能力强、机动性
-1.
能好、业务种类多等优点。
在军用方面,雷达技术作为一项重要的军事高科技在国防现代化建设的发展
过程中日益成熟,其在战场上发挥的作用也将越来越大。
现代雷达要求接收机具
有高灵敏度和宽工作频带的性能以保证雷达整机的探测威力和较强的抗干扰、反
侦察能力。
超外差式接收机以其成熟的技术和优异可靠的性能成为雷达接收机的
主要形式。
而且随着数字理论和器件技术的不断发展,传统的模拟超外差接收机
开始向数字超外差接收机模式过澍2】【3】。
1.1.2低噪声放大器的发展态势
低噪声放大器是现代无线通信、卫星收发设备、雷达、遥测遥感、电子对抗、
微波测量仪器仪表等电子系统中的接收机必不可少的重要部件。
微波双极性晶体管放大器,由于其具有体积小、质量小、耗电省以及较好的
噪声增益性能曾被广泛使用;但是由于其特征频率.厅有限,在3GHz以上性能下
降很快。
砷化稼微波场效应管(GaAsFET)在1971午问世以后,很快就在卫星通讯和微
波中继等领域中被广泛使用。
针对脉冲尖峰能量击穿和峰功率烧毁问题,采取保
护措施(如加设前置开关、限幅器)并改进工艺,提高FET抗烧毁等能力后,
G。
彳。
尼丁便广泛应用于雷达接收机之中。
FET为两端口器件,测得其S参数后,
可按成熟的网络理论进行匹配网络设计。
目前,GaAsFET实现在20%相对带宽X
围内稳定工作已不是难点,采用微波CAD技术以后,它在倍频程、多倍频程带宽
内已可获得优良的性能。
又因FET特别适合于在GaAs衬底上实现微波单片集成
电路(MMIC),所以,目前正在得到广泛的应用,且性能也在不断提高。
自20世
纪90年代,出现了GaAsFET的改进型——高电子迁移率场效应管(HEMT)或称异
质结构效应管(HFET),与FET相比较,其噪声系数更低,增益和工作频率更高,
且同样与MMIC兼容。
通过改进工艺和不断提高性能,它已逐步主宰了微波和毫
米波段的低噪声放大器。
20世纪90年代,在国外,美国GE公司生产的低噪声放大器已经可以达到最
高频率为94GHz。
在国内,XX电子器件研究所研制的GaAsFETMMIC和PHEMT
MMIC,其器件水平已与国外20世纪90年代末的器件水平相当【221。
.2.
第一章绪论
1.2项目系统任务
本课题来自电子科技大学XX赛英科技XX,包括1.5GHz.1.6GHz的开
关放大器和5.3GI--Iz.5.9GI--Iz的限幅放大器。
本项目在公司中进行研制的,公司具
有先进齐全的高频与微波测试设备,如网络分析仪HP8720B,噪声系数测量仪
HP8970B,高频信号源HP8657D。
本论文对接收机前端的开关、限幅器、低噪声
放大器(LNA-LowNoiseAmplifier)进行了理论研究和设计。
作者的主要工作有:
1)搜集查找设计中所涉及的各元器件和集成电路芯片资料,进行比较分析和
选择。
2)确定设计方案,并用ADS软件对电路进行仿真优化.
3)根据设计和优化结果,完成具体电路的设计、PCB板布局制图。
4)对最终指标及性能参数进行测量并记录。
5)根据实践,提出了设计与调试中应该着重注意与必须考虑到的问题,同时
给出解决方案。
.3.
第二章PIN二极管控制电路的理论基础
在通信、雷达和其他微波系统中,常常要求对信号的传输进行控制,因而出
现了各种类型的微波控制电路,如微波开关、微波限幅器、电控衰减器和数字移
相器等。
目前微波控制电路中较多地采用PIN管作为控制器件,它具有较大的功
率容量、损耗小、体积小、正反向偏置下能得到近似短路和开路的特性【4】。
2.1PIN二极管的基本原理
2.1.1PIN二极管的结构
PIN二极管与通常的半导体二极管不同之处在于PIN管的结构是在重掺杂的
P+和矿之间加入一个未掺杂的本征层I层构成的,如图2.1所示。
实际上不可能
真正实现I层,只能使杂质含量足够低,如果中间层是低掺杂的P型半导体,称为
P槲管;如果中间层是低掺杂的N型半导体,称为PvN管,这种管应用较多。
图2.1PIN管空间电荷区
PIN管的封装形式很多,例如有双柱型、螺纹管座型、弹丸型、带状线型、微
带线型及梁式引线型等,它们的封装参量不同,承受的功率容量也不同‘51。
2.1.2PIN二极管的特性
2.1.2.1直流电压作用下的工作特性
1._____PIN管零偏压时的特性
.4.
第二章PIN二极管控制电路的理论基础
理想PIN结与PN结类似.在零偏压时,由于扩散作用,P层的空穴和N层的
电子分别向I层扩散,然后在I层复合而消失。
与此同时,靠近I层边界,在P区
和N区内分别建立带负电和带正电的空间电荷层,空间电荷层(又称耗尽层)的电场
阻挡电子和空穴继续向I层注入,而在开始瞬间注入两种载流子由于复合而消失,
故I层保持本征不导电状态,其电场分布是均匀的,且PIN管处于不导通状态。
实际上由于材料和工艺上的原因,不可能得到纯粹的本征层,多少含一些杂质,
因此理想的I层是不存在的。
现以PvN管为例,示出杂质和空司电荷分布图.如
图2.2所示。
由于I层含有少量N型杂质,I层和P+层边界两侧形成PN结。
又因P+区的
掺杂浓度远高于I(v)层的浓度,因而PN结的空间电荷层的宽度基本上取决于
I(v)层内空间电荷宽度。
固2.2(b)表示零偏压时空间电荷分布图。
一般情况下,ICv)区中部分为耗尽层w,—部分为未耗尽区∞咖。
由于I“)层杂质浓度低,所以
耗尽区很宽,PIN管呈现高阻。
同时,在零偏压下,I层杂质不一定全部被电离,因此出现未耗尽区(D咖。
这充分说明PIN管的待性与外加偏压有关系。
掺杂浓度
匡
2.PIN管反向偏压时的特性
如果在PIN管两端加反向电压,则空间电荷层X围扩大(即耗尽区展宽),反向
电流很小。
当反向电压增加致使整个I区都变为耗尽区时(即N型载流子都被清除),
称为“穿通状态"。
此时对应的反偏压称为穿通电压或扫清电压。
管内空间电荷分
布如图2.2(c)。
此时PIN管阻抗比零偏时更大。
当反偏电压大于穿通电压后,耗尽
层进一步扩展,但进入载流子浓度很高的P+和矿区内的部分是很窄的,可忽略不
计。
因此在穿通后,阻抗近似不变。
3.PIN管正向偏压时的特性
PIN管两端加正向偏压时,P+v和vN+两个结都是正偏,P+区空穴和矿区电子
分别向I(v)区注入.由于I层本身载流子浓度极低,因此靠注入的空穴和电子互相
提供复合的载流了。
它们边复合边扩散,掉直流偏压维持注入,形成一个稳定的
载流子分布。
因此宏观上电流不断地流过PIN管,PIN管呈现低阻。
外加电压越
大,正向电流也越大,电阻降低。
2.1.2.2微波频率下的工作特性
以上分析了PIN管在直流偏置电压下的工作特性,可以看出它与PN结相似,
但在微波信号工作下呈现不同的特性。
图2.3是PIN管在正反偏压下,微波信号作
用于PIN管的特性。
图2.3直流和微波信号同时作用于PIN管
1.PIN管处于直流正向偏压下
设正向偏置电流为厶,I层中储存电荷为Qo。
电荷绕的数值可这样近似地求
.6.
第二章PIN二极管控制电路的理论基础
得:
设载流子寿命为:
f,Qo以均匀的速度复合,在时间f内变为零,则复合电流,
即蜴的变化率为Qo乃。
为了维持Qo不变,则外加偏置电流厶,应与Qo肛相等,
即:
此式即为I层中储存电荷和正向偏置电流的关系式,即储存电荷与偏置电流成正
比。
现在考虑加入微波信号的情况,如图2.3所示。
设微波信号电流为
‘
若Io“‘,,此时从图2.3.表面上看,似乎在微波信号的负半周管子内将无电
流通过,处于截止状态,其实不然,因为在厶作用下,I层中已储藏电荷Qo,只
要微波频率足够了,即负半周时间足够短,I层中仍储藏有足够的电荷维持管子的
导通状态。
例如当厂为10GHz(T为o.1ns),若f为5us,Io为o.1A,‘为50A,则因f>>T,
虽然有厶“厶,由于Q0=Iof及Ql≈三‘,Qo>>蜴。
由此可见,负半周I层电
荷的减少IQ,只是正向偏流所对应的I层电荷储藏量Qo的很小一部分,因而不影
响导通状态。
这表明,很小的正向偏置电流,可使PIN管在很大幅度的微波电流作用下保
持正向低阻的导通状态。
2.PIN管处于直流反向偏压■。
1
由于I层没有直流注入的电荷,微波信号正半周注入的电荷来不及形成导通,
很快又全部被负半周抽出,因此不论微波信号的正半周还是负半周加在PIN管上,
o.,7-
PIN管都是不能导通的,在整个微波信号周期内呈现高阻状态。
由此可见,PIN管仅在直流(或低频)正向偏压下导通,这时PIN管类似于一个
线性电阻,对于微波信号正负半周都是导通的;当处于直流(或低频)反向偏压下时,
在整个微波信号周期内都是不导通的。
而且,直流(或低频)控制电压(电流)可以很
小,但能控制很大的微波功率传输的通与断,这是PIN管广泛用于微波控制电路
的重要原因之一。
综上所述.PIN管在直流电压作用下,零偏压时呈现高阻;反向偏压时阻抗加
大,正偏时呈现低阻,且偏流越大,阻值越低。
在微波信号作用下管子的阻抗主
要取决于直流偏置的极性和大小,而与微波信号幅度几乎无关。
因此,可以利用
小功率(直流)改变PIK管在微波电路中的阻抗,以控制微波信号功率,如用作微波
开关、电调衰减器、移相器等控制元件。
此外,在零偏压下PIN管I区载流子浓度低、阻抗高,当加入微被信号后,
随着信号幅度增大,则由于正半周注入载流子.负半周又未来得及“吸出一的I
区载流子,逐渐积累而使I区电阻值减小,这就形成微波信号幅度足够大时,PIN
管阻抗显著变小。
利用此持性可制成限幅器或微波信号对I层电导进行调制。
当然,
微波信号的作用远不如直流偏流的控制那样有效,但这是微波限幅器的基本原理【6】
【刀。
.
2.1.3PIN二极管的等效电路
通过以上对PIN二极管特性的分析,得出PIN二极管在正向偏置时呈现低阻
抗特性,在反向偏置或零偏置时呈现高阻抗特性,下面就分别对两种偏置下的电
路进行讨论。
2.1.3.1正向偏压下PIN管管芯等效电路
PIN管在正向偏置状态下的等效电路,如图2.4所示。
其中,R,为I层的电阻;
C,为I层边界上的电荷储存所引起的电容,是结电容和扩散电容之和,但近似等
于扩散电容。
扩散电容是注入载流子在I层边界上产生的储存所引起的电容,远大
于结电容。
当偏置从负向转为正向后,由于P、N区载流子向I层注入量随正向偏
置电压加大,结电阻尺,很快由几兆欧以上减为1欧以下;而C,的量级为几个P法,
即使在微波频率下其容抗远大于只,,故可忽略,而把R,和R。
归并为一个正向电阻
R,。
尺.是P、N层体电阻和电板接触电阻等构成的串联损耗电阻,其值很小,在
.8.
第二章PIN二极管控制电路的理论基础
1欧左右。
因R,正向电阻随偏置电流增大而很快下降,一般PIN管,当偏流为几
十毫安时,RJ减小到几欧姆这时只,的值不能忽略。
因此,R厂的值约等于
RI=R,+R。
Rs的数值随正向偏流厶增大而减小,在正向偏置的情况下一般不
超过Q的量级。
RII
图2.4PIN管在正向偏置状态下的等效电路
2.1.3.2反向偏压下的PIN管管芯等效电路
在反向偏置状态下,PIN管的电路较为复杂,现加以区分,即I层未穿通和穿
通的两种情况分别讨论。
cj
R=是
(a)PIN反向未穿通的等效电路(b)PIN反向穿通的等效电路
图2.5PIN管反向未穿通等效电路和反向穿通等效电路
1)当反向偏压较小而I层未穿通时的情况,其等效电路如图2.5(a)所示。
整个I层分为耗尽区和非耗尽区,耗尽区在图中以电容C,和尺,并联来等效。
耗尽区的并联电阻R,非常大,可以达到MD.以上,可以忽略,而C;之值小于lpF。
非耗尽区在图中由电阻R和G电容的并联电路来等效。
其中R约为几千欧量级,
这是因为其中非耗尽层中含少量载流子,故其电阻比耗尽区的小,而G之值也是
小于lpF。
R。
仍然表示P+和Ⅳ+区的小电阻和引线产生的电阻之和。
2))当反向偏压较大I层穿通时的情况,其等效电路如图2.5(b)所示。
当I层穿通后,非耗尽区不存在,R,的数值变得非常大,可将它忽略。
其中
反向电阻R=尺。
,而C,代表以P+和矿层为极板,以I层为介质的平板电容器的
电容。
I层穿通后,继续增加反向偏压,I层耗尽层宽度不变,因而C,之值也不变。
在实际工程应用中通常使用的PIN管管芯等效电路作一个简要的归纳,如图
2.6所示。
为了便于理解,在PIN管正偏和反偏两种情况下,我们通常就是图中两
种简化电路来等效P矾管。
‘a)芷向简化电路‘b)反囱简化电路
图2.6工程中PIN管正反偏压等效电路
2.1.4PIN二极管的主要参数
正向电阻(R,):
在给定正向偏置电流下,PIN二极管的等效微波电阻。
PIN二
极管正向偏置时,微波电阻随偏置电流增加而减小。
一般手册中给出lOmA或
100mA偏置时的微波等效电阻值。
反向电阻(R,):
在反向偏置电流下,PIN二极管的等效串联微波电阻。
PIN二
极管反向电阻一般小于正向电阻。
结电容:
在近似穿通条件下,PIN二极管的结电容。
.10.
第二章PIN二极管控制电路的理论基础
开关截止频率:
结电容电抗值等于正、反向电阻几何平值时的微波信号频率。
丘2丽1(2-4)
式中,C为反向穿通时的电容。
PIN管作开关元件时,希望.疋远比厂高。
提
高丘的手段是减少C、Rr、尺,。
通常为丘几百兆赫兹。
反向击穿电压:
PIN二极管所能承受的最高反向电压。
有些手册中给出反向电
流为luA时所加的反向偏压,此偏压一般小于反向击穿电压。
热阻:
在理想条件下,PIN二极管消耗单位微波功率所引起的结温增加值。
热
阻的单位为℃脚。
载流子寿命:
指I区载流子的平均寿命。
假定载流子复合过程是随机的,其寿
命即为I区载流子浓度下降到1/e所经历的时间。
功率容量:
当PIN管工作于脉冲情况时,其功率容量要受限于反向击穿电压
及最大允许的电流值。
另外,管子的平均功率容量和散热情况有关,可通过加大
结面积、减小I层厚度以及改进电路结构的方法予以改善。
开关时间:
PIN管正、反向状态转换所需要的时间,通常希望它尽量短。
它与
载流子寿命、激励电路以及所承受功率有关,当PIN管所承受功率增加时,开关
时间会随之增加,这是实际中应综合考虑的问题【9】。
2.2PIN二极管开关的理论基础
利用偏压使PIN管工作于正向和反向状态,就可控制微波电路的通断而构成
微波开关。
PIN管开关电路按功能分为两种:
一是通断开关,如单刀单掷开关
(Sinslc-PolcSingIc.11ⅡD计一SPST),作用只是简单地控制传输系统中微波信号的
通断;另一种是转换开关,如单刀双掷开关(Shglc-PoleDoublc-Throw—SPDT)、
单刀多掷开关,作用是使信号在两个或多个传输系统中转换。
按PIN管与传输线
的连接方式,分为串联型、并联型以及串并联型三种,这与所采用的PIN管结构
形式有关,三种电路各有特点。
2.2.1P玳二极管开关的工作原理
2.2.1.1单刀单掷(SPST)开关的工作原理
最简单的单刀单掷开关,英文缩写为SPST,它有串联和并联两种基本形式,
如图2.7所示。
利用偏置使PIN二极管工作于正偏或反偏状态,就可以控制微波电
路的通断而构成微波开关【101。
-—--——|-·-----●。
强)串联型tb)并联型
图2.7单刀单掷开关的基本电路
对于串联型SPST,当二极管加正向偏置的时候,二极管导通,其阻抗很低,
接近于短路,开关就接通;当二极管加反向偏置时,二极管不导通,其阻抗很高
而接近于开路,因而开关断开。
对于并联型SPST正好相反,当二极管加正向偏置的时候,由于二极管导通的
时候阻抗很低,接近短路,并联支路相当于一个短路面,可以把微波信号反射回
去,从而使开关断开;当二极管加反向偏置时,二极管阻抗很高,接近于开路,
并联支路近似于断开,微波信号就可以通过。
对单刀单掷开关的基本要求是:
开关导通时的哀减要尽可能小;断开时的哀
减要求尽可能大。
对于理想的开关,前者为零,后者为无限大。
一船只能要求
两者比值应尽量大、有时又把前者称为开关的插入损耗,把后者称为开关的隔离
度,此外还要求工作频带尽量宽【ll】。
2.2.1.2单刀双掷(SPDT)开关的工作原理
最简单而又最常用的单刀多掷开关就是单刀双掷开关,英文缩写为SPDT,主
要在通信、雷达、电子对抗、测量等系统中完成信道转换
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