毕业论文：基于245ghz无线射频前端接收电路的低功耗低噪声放大器设计

毕业论文：基于245ghz无线射频前端接收电路的低功耗低噪声放大器设计内容摘要：

输入阻抗 iZ 与波源的内阻抗 sZ 互为共轭复数，这个条件称为“共轭匹配”。 需强调的是 iZ 与 sZ 必须对同一参考面而言，其中 iZ 为从参考面处向负载看去的输入阻抗， sZ 为从参考面处向波源看去的输入阻抗 [4]。 负载的匹配 在传输微波功率时一般都希望负载时匹配的，因为匹配负载无反射，传输线中为行波状态，这对于传输微波功率来说，主要有以下几点好处： 1. 匹配负载可以从匹配源输出功率中吸收最大功率。 2. 行波状态时传输线的传输效率最高。 因反射波带回的能量和入射波一样会在传 输线中产生损耗，固有反射时的损耗功率增大，传输效率低。 3. 行波状态时传输线功率容量最大。 因在驻波状态时，沿线的高频电场分布出现波腹，波腹处的电场比传输同样功率时的行波电场高得多，因此容易发生击穿，从而限制了功率容量。 匹配方法 阻抗匹配的方法有二：一是在不匹配系统中适当加入无功元件，称为调配器，人为引入一个或多个反射并使之与原系统产生的反射相互抵消而达到匹配；二是两不匹配系统间加接一 个 阻抗变换器，其作用是化原不匹配系统内的大反射为多级的或渐变的小反射乃至最终过渡到匹配状态 [5]。 微带线简介 微带线属于敞开式部分填充介质的双导体传输线。 它是由介质基片上的导带和基片底部的金属接地板构成的，整个微带线用薄膜工艺制作而成，基片采用介电常数高、高频损耗低的陶瓷、石英、蓝宝石等介质材料，导带采用良导体材料。 微带线适合制作微波集成电路的平面结构传输线，与金属波导相比，其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等；但损耗稍大，功率容量小。 60年代前期， 由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，形成了微波集成电路，使微带线得到广泛应用，于是相继出现了各种类型的微带线。 微带线的参数确定如下，微带线特性阻抗 0Z 的大小由导体带宽度 W 和介质板的厚度 h 以及有效介电常数 rE 决定的，如下： 天津职业技术师范大学 2020届本科生毕业设计 9 016860 l n( ) ( ) ( 1 )4120 ( ) ( 1 ) ( 1 )h W WW h hZ WW h h hh W W         ΩΩ (23) 010 2reZZ   （ 24） 式中 0Z 为填充介电常数为 re 的介质时微带线的特性阻抗； 01Z 为填充空气时的同一尺寸微带线的特性阻抗； W 为微带线的导带宽度； h 为微带线的介质基片厚度 [6]。 偏置电路 在电路系统设计中，直流偏置电路系统是射 频功率放大器运转的关键。 偏置网络有两大类型：无源网络和有源网络。 无源网络 (即自偏置 )是最简单的偏置电路，通常由电阻网络构成，它为射频晶体管提供合适的工作电压和电流，但是这种电路的缺点就是对晶体管参数变化非常敏感，并且温度稳定较差。 因为直流反馈总是要降低电压提供的功率，考虑到现在是低压工作，所以有效的反馈比较难。 如果反馈根本不实用或不充分，就需要使用有源偏置， 有源偏置网络能改善静态工作点的稳定性，还能提高良好的温度稳定性，但它也存在一些问题，如增加了电路尺寸、增加了电路排版的难度以及增加了功率消耗。 低噪声 放 大器设计的第一步就是确定晶体管的静态直流工作点，偏置的作用是在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态工作点，并抑制晶体管的离散性以及温度变化的影响从而保持恒定的工作特性。 偏置网络不仅要设定直流工作状态，还要通过高频扼流线圈和隔直电容确保直流偏置与射频信号相互隔离。 天津职业技术师范大学 2020届本科生毕业设计 10 3 低噪声放大器的基本指标 工作频带 工作频带通常指放大器满足其全部性能指标的连续频率范围。 放大器的实际工作频率尽可能限制在所定的工作频率范围。 考虑到噪声系数是主要指标，在宽频带情况下难于获得极低噪声，所以低噪声放大器的工作频 带一般不太宽。 放大器所能允许的工作频率与晶体管的特征频率 Tf 有关，由晶体管小信号模型可知，减小偏置电流的结果是晶体管的特征频率降低。 在集成电路中，增大晶体管的面积使极间电容增加也降低了特性频率。 带宽 为保证频带信号无失真地通过放大电路，要求其增益频率响应特性必须有与信号带宽相适应的平坦宽度。 放大电路电压增益频率响应特性为最大值下降 3dB时，对应的频率宽度为放大器的通频带，通常以 BW 表示，即带宽。 而低噪声放大器的带宽不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪声要满足要求。 带宽又分为绝对带宽和相对带宽。 绝对带宽定义如下： () HLBW Hz f f (31) 采用绝对带宽表示时，带宽 BW 的量纲为 Hz。 相对带宽常用的表示方法为百分比法。 采用相对带宽表示时，带宽是无量纲的相对值。 百分比法定义为绝对带宽占中心频率的百分数 ，用 RBW 表示为： 001 0 0 1 0 0HLff BWRBW ff      (32) 其中 0f 为中心频率。 通常当相对带宽小于 10%时称为窄带放大器，相对带宽大于 30%时称为宽带放大器，而相对带宽大于 100%时称为超宽带放大器，考虑到噪声系数是主要指标，但是在宽频带情况下难于获得极低噪声，所以低噪声放大器的工作频带一般不宽 ，较多为 20%左右 [9]。 天津职业技术师范大学 2020届本科生毕业设计 11 噪声系数 在电路某一特定点上的信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声比，简称信噪比，用符号 sP /nP (或 S /N )表示。 放大器噪声系数是指放大器输入端信号噪声功率比 siP / niP 与输出端信号噪声功率比 soP / noP 的比值。 噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。 影响放大器噪声系数的因素有很多，除了选用性能优良的元器件外，电路的拓扑结构是否合理也是非常重要的。 放大器的噪声系数和信号源的阻抗有关，而与负载阻抗无关。 当一个晶体管的源端所接的信号源的阻抗等于它所要求的最佳信号源阻抗时，由 该晶体管构成的放大器的噪声系数最小。 实际应用中放大器的噪声系数可以表示为 ： 2m in 2204(1 ) 1s op tns op tRFFZ      （ 33） minF 是当源端为最佳源阻抗时放大器的最小噪声系数， nR 是噪声阻抗， opt是放大器按最小噪声系数匹配时的最佳源反射系数。 由此可见放大器的输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设计，也就是 根据所选晶体管的 opt 来进行设计。 设计输出匹配电路时采用共轭匹配，以获得放大器较高的功率增益和较好的输出驻波比 [6]。 图 31 多级放大电路示意图 当系统中有多级放大器相连时，其系统总噪声系数和总增益表达式为 : 2311 2 1 2 3 1 2 31 2 31 1 11ntotalntotal nF F FFFG G G G G G G G GG G G G G           （ 34） 式中 totalF 表示多级放大器总的噪声系 数。 1F 、 2F 和 3F 分别表第一、第二和第 输出 . . . . RF 放大 RF 放大 RF 放大 RF 放大 输入 F1 G1 F2 G2 F3 G3 Fn Gn 天津职业技术师范大学 2020届本科生毕业设计 12 三级的噪声系数。 G G2和 G3分别表示第一、第二级和第三级放大器的功率增益。 从上式知道，越后项分母越大，所以初级噪声系数 1F 对总体噪声系数 totalF 的影响最大。 只有 1F 尽量低，前级增益 G1和 G2足够大，整机的噪声性能才能足够小 [6]。 增益 根据线型网络输入、输出端阻抗的匹配情况，有三种放大器增益：工作功率增益、转换功率增益、资用功率增益。 对于实际的低噪声放大器，功率增益通常是指信源与负载多为 50Ω标准阻抗情况下实测的增益，一般用 dB表示。 其表达式为放大器输出功率与输入功率的比值： outinpG p （ 35） 低噪声放大器的增益要适中，太大会使下级混频器输入太大，产生失真。 但为了抑制后面各级的噪声对系统的影响，其增益又不能太小。 放大器的增益首先与管子跨导有关，跨导直接由工作点的电流决定。 其次放大器的增益还与负载有关。 低噪声放大器大都是按照噪声最佳匹配进行设计的。 噪声最佳匹配点并非最大增益点，以此增益 G 要下降。 噪声最佳匹配情况下的增益成为相关增益。 通常，相关增益比最大增益大约低 2~4dB。 所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。 根据经验，一般取值在 15~20dB 较为合适。 增益平坦度是指功率最大增益与最小增益之差，它用来描述工作频带内功率增益的起伏 , 常用最高增益与最小增益之差，即△ G(dB)表示 [10]。 稳定性 放大器必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。 这一点对于射频电路是非常重要的，因为射频电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的趋势。 考察电压波沿传输线的传输，可以理解这种振荡现象。 若传输线终端反射系数 Γ01， 则反射电压的幅度变大（正反馈）并导致不稳定的现象。 反之，若 Γ01，将导致反射电压波的幅度变小（负反馈）。 当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于 1,即 in 1, out 1 时，不管源阻抗和负载阻抗如何，网络都是稳定的，称为绝对稳定；当输入端或输出端的反射系数的模大于 1时，网络是不稳定的，称为条件稳定。 对条件稳定的放大器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择，而是有一定的范围，否则放大器不能稳定工作，即使负载阻抗 和源阻抗属于标准天津职业技术师范大学 2020届本科生毕业设计 13 的阻抗，但随着温度、湿度等环境的变化这些阻抗可能会发生变化，同时放大器的参数也会发生变化，而在设计基于有源两端口网络射频放大电路时，绝对稳定是非常有价值的。 如果有源器件满足绝对稳定条件，可以简化放大电路的设计，提高设计效率。 而且只有在绝对稳定的条件下晶体管才有可能达到最大增益，所以判断一个晶体管的射频是否绝对稳定就相对变得重要。 而一个晶体管的射频稳定条件是： 2 2 211 2212 21211 12 21222 12 2111211SSSSK S S SS S S      （ 36） 式中有： |||| 21122211 SSSS  （ 37）  为稳定性判别系数，只有当式 （ 36） 中的 3个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。 端口驻波比和反射损耗 低噪声放大器的输入和输出反射系数表征着输入输出信号的反射损耗，通常用输入和输出驻波比来表示，将低噪声放大器看成标准两端口网络，则输入输出驻波比如下： ||1 ||1V SW R iiinnn  (38) ||1||1V S W Routoutout  (39) 低噪声放大器主要指标是噪声系数所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的，其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态，因此驻波比不会很好。 此外，由于微 波场效应晶体或双极性晶体管，其增益特性大体上都是按每倍频程以 6 dB 规律随频率升高而下降，为了获得工作频带内平坦增益特性，在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下，只能采用低频段失配的方法来压天津职业技术师范大学 2020届本科生毕业设计 14 低增益，以 保持带内增益平坦，因此端口驻波比必然是随着频率降低而升高。 一般情况下，为了减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响，可用插损很小的隔离器等其他措施来解决 [11]。 天津职业技术师范大学 2020届本科生毕业设计 15 4 低噪声放大器设计仿真及优化 指标目标 及设计流程 工作频带 ： ~； 带内增 益 ：。