低噪声放大器设计仿真及优化毕业设计Word格式.docx

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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

ABSTRACT

RapidgrowthofwirelessdatacommunicationsMicrowavecommunicationsystemreceiver,asthemainpartoftheRFfront-endreceiver,thefunctionofthelownoiseamplifierisamplifyingthefaintsignalwhichinceptedfromairbytheantenna.Itcanreducethenoisejamming,soastodemodulaterightinformationforthesystem.ThenoiseperformanceoftheLNAwillaffecttheperformanceofthewholesystemdirectly,andthendecidingthesensitivityanddynamicworkingscopeofthereceiver.

Fromtheaspectofbiascircuit,noiseoptimization,lineargain,impedancematch,andthedesignmethodologyforLNAisanalyzed,ThisarticlecarriesonthemodellingsimulationwiththeaidoftheADSsimulationsoftware'

spowerfulfunctiontothetransistor,theanalysisinthisfoundationtotransistor'

sstability,thesimulationoptimizationdesign.aradiofrequencypoweramplifierisdesigned,which1.5,Noisecoefficientlessthan2dBandWattandgain15dB.

KeyWords：

microwave;

low-noiseamplifier;

noisefigure;

matchingcircuit;

ADSsimulation

目录

1引言1

1.1课题研究背景1

1.2低噪声放大器简介2

1.3低噪声放大器的发展现状2

1.4本课题的研究方法及主要工作3

2低噪声放大器理论综述5

2.1史密斯圆图5

2.2S参数6

2.3长线的阻抗匹配7

2.3.1微波源的共轭匹配7

2.3.2负载的匹配8

2.3.3匹配方法8

2.4微带线简介8

2.5偏置电路9

3低噪声放大器的基本指标10

3.1工作频带10

3.2带宽10

3.3噪声系数11

3.4增益12

3.5稳定性12

3.6端口驻波比和反射损耗13

4低噪声放大器设计仿真及优化15

4.1指标目标及设计流程15

4.2选取晶体管并仿真晶体管参数15

4.3晶体管S参数扫描17

4.4放大器的稳定性分析19

4.5设计输入匹配网络21

4.5.1匹配原理21

4.5.2计算输入阻抗23

4.5.3单支节匹配电路23

4.6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

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。

AdvancedDesignSystem（ADS）软件是Agilent公司在HPEESOFEDA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（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GaAsHFET器件拥有基于异质结化合物AlGaAs、GaAsInGaP、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200GHz,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8mm以下的HEMT己商品化，在极低噪声的许多应用领域已取代GaAsMESFET，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GaAsMESFET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.WKabayashi等人研制出了S波段的HEMT—HBT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HEMT—HBT的MMIC系统利用HEMT—HBT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和混合集成技术的优点。

我们发现微波晶体管低噪声放大器的巨大变革通常是随着微波放大器件的产生和工艺技术的改进而发展的。

相对于国外，由于国内的制作工艺起步较晚，国内有源电路技术指标的快速提高受到了限制。

但是，总体说来，除了高度集成工艺外，国内外总的设计手段是相差不大的，在研制方法上，国内与国外也是基本相同的。

1.4本课题的研究方法及主要工作

低噪声放大器是无线接收机前端的重要部分，其主要作用是放大微弱信号，尽量使放大器引入的噪声减小。

由于它处于接收机放大链的前端，因此，对整个系统来讲是非常重要的。

它的噪声系数、增益和线性度等指标对整个射频接收机系统的性能有重要影响，其中噪声系数几乎决定了整个接收机的噪声性能。

本课题对低噪声放大器的多种设计方法进行了研究，查阅了大量的资料，总结了前辈的设