1、 毕业设计（论文） 题 目 基于 ADS 的微波低噪声放大器的仿真设计 所属院 (系 ) 物电学院 专业班级 电子 1201 姓 名 石晟 学 号： 1213014014 指导老师 贾建科 完成地点 物电学院实验室 2016 年 6月 5日陕西理工学院毕业论文 毕业 论文 设计 任务书 院 (系 ) 物电学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 石晟 一、毕业论文设计题目 基于 ADS 的 微波 低噪声 放大器的仿真设计 二、毕业论文设计工作自 2016 年 2 月 20 日 起至 2016 年 6 月 20 日止 三、毕业论文设计进行地点 : 物 电 学 院 实 验 室 四、毕业论文设 计的内
2、容要求： 快速发展的无线通信对微波射频电路如低噪声放大器提出更高的性能 .低噪声放大器(LNA)广泛应用于微波接收系统中 ,是重要器件之一 ,主要用来放大低电平信号 ,由于是自天线下来第一个进行信号处理的器件 ,LNA 决定 了整个系统的噪声性能和电压驻波比VSWR,并对动态范围有着较大的影响 .微波低噪声 放大器的过程中，往往需要对 驻波比和噪声 性能参数指标进行处理。那么如何对这两个性能参数进行处理就成为 低噪声 放大器设计中的一个难点。这个难点的最好解决方法就是放在放大器输入输出匹配网络的设计中来解决。本设计 是利用微波射频仿真软件 ADS 对微波 低噪声 放大器进行仿真设计，掌握微波射
3、频电路的工程设计理论和设计方法，提高专业素质和工程实践能力。 其具体要求如下： 1、分析微波低噪声放大器的各项参数； 2、查找相关资料并翻译相关的英文资料； 3、设计一微波低噪声放大器，根据所选器件 ,设计相应偏置电路； 4、设计输入输出匹配电路，并利用仿真软件 ADS 对设计进行仿真验证。 进度安排 : 2 月 20 日 3 月 1 日：查阅资料、完成英文资料翻译并准备开题报告 3 月 2 日 4 月 1 日：熟悉软件的使用并提交开题报告 4 月 2 日 5 月 1 日：完善开题报告、研究微波低噪声放大器的理论设计方法、并建立偏置电路和匹配电路，进行期中检查。 5 月 2 日 5 月 30
4、日：利用软件建立微波低噪声放大器模型并进行仿真验证，准备验收。 6 月 1 日 6 月 10 日：撰写毕业设计论文并提交论文 6 月 11 日 6 月 15 日：毕业设计答辩。 毕业设计应收集资料及参考文献 : 1低噪声放大器 (LNA)J.通信技术 ,2016(01) 2杨宇航 .基于 WCDMA 直放站模拟预失真功率放大器的研究 D电子科技大学， 2009. 3林志凯 .具有内外置天线切换功能的新型双射频低噪放大电路的研究 D广东工业大学， 2013. 4郑磊 .微波宽带低噪声放大器的设计 .电子科技大学硕士 学位论文 . 2006. 5孙安峰 .微波低噪声放大器模块的设计与实现 .西安电
5、子科技大学硕士学位论文 .2012. 6方伟 .800MHz 射频功率放大器的研制 D.南昌大学硕士学位论文 .2007 指 导 教 师 系 (教 研 室 ) 系 (教研室 )主任签名 批准日期 接受论文 (设计 )任务开始执行日期 学生签名 陕西理工学院毕业论文 基于 ADS 的微波低噪声放大器的仿真设计 学生：石晟 （陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业电子 1201 班级，陕西 汉中 723000） 指导老师：贾建科 摘要 低噪声放大器用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路 ,低噪声放大器也主要面向移动通信基础设施基站应用。基于此 ,提出
6、微 波低噪声放大器设计 ,运用先 进设计系统（ ADS）仿真软件设计一个基于 BJT 的低噪声放大器。本次设计选取惠普公司的 AT32011 晶体管，设计的主要指标为噪声系数小于 3dB，增益系数大于 11dB，输入驻波比小于 1.7，输出驻波比小于 2.2。给出了偏置电路、输入输出阻抗匹配电路。仿真结果表明噪声系数为 1.756dB，增益 11.909dB，输入驻波比 1.681，输出驻波比 2.007，满足设计指标要求。 关键词 低噪声放大器 晶体管 噪声系数 ADS 陕西理工学院毕业论文 Simulation design of microwave low noise amplifier
7、 based on the ADS Shi Sheng (Grade 12,Class 1,Major electronics and information engineering ， Electronics and information engineering Dept.， Shaanxi University of Technology， Hanzhong， 723000， Shaanxi) Tutor: Jia Jianke Abstract:Low noise amplifier is used to all kinds of high or intermediate freque
8、ncy radio receiver preamplifier, and sensitive electronic detection equipment, mainly low noise amplifier for mobile communications infrastructure base station applications. Based on this, this paper presents microwave low noise amplifier design, and designs a BJT-based low noise amplifier with adva
9、nced design system (ADS) simulation software. The design selected HPs AT32011 transistor. The main indicators for the noise factor of less than 3dB, gain greater than 11dB, input VSWR less than 1.7, the output VSWR less than 2.2. Given the bias circuit, the input and output impedance matching circui
10、t. The simulation results show that the noise factor is 1.756dB, gain 11.909dB, input VSWR 1.681, 2.007 and output VSWR, and the design meet the design requirements. Key words:low noise amplifier transistor noise factor ADS 陕西理工学院毕业论文 目录 一绪论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 微波低噪声放大器的应用 . 1 1.3 微波低噪声放大器的发展现状 . 2 1
11、.4 本次毕业设计的意义和主要工作内容 . 3 二低噪声放大器的理论基础 . 4 2.1 放大器的稳定性 . 4 2.2 放大器的功率增益 . 4 2.3 低噪声放大器输入输出驻波比 . 5 2.4 低噪声放大器的噪声系数 . 5 2.5 S 参数的定义 . 6 2.6 S 参数的物理 意义 . 6 三低噪声放大器的仿真 . 7 3.1 低噪声放大器的设计指标 . 7 3.2 选取晶体管 . 7 3.2.1 创建项目 . 7 3.2.2 创建原理图 . 7 3.2.3 在 ADS 元器件库中选取晶体管 . 8 3.2.4 晶体管静态工作点仿真 . 9 3.2.5 晶 体管的 S 参数扫描 .
12、10 3.2.6 晶体管选取总结 . 11 陕西理工学院毕业论文 3.3 SP模型的仿真 . 12 3.3.1 创建原理图 . 12 3.3.2 搭建原理图并仿真 SP 模型的输入输出阻抗 . 12 3.3.3 设计输入匹配网络 . 14 3.3.4 设计并优化输入输出匹配网络 . 18 3.3.5 低噪声放大器设计指标的实现 . 22 3.4 偏置电路 . 24 3.4.1 计算偏执网络的电阻 . 24 3.4.2 设计偏置网络 . 26 3.5 最终整体电路 . 27 四结论 . 28 参考文献 . 29 致谢 . 30 附录 A 外文文献 . 31 附录 B 外文文献 翻译 . 36 陕
13、西理工学院毕业论文 第 1 页 共 39 页 一绪论 1.1 概述 低噪声放大器 ，通常作为 各类无线电接收机的高频或 者 中频前置放大器，以及 一些 高灵敏度 的电子探测设备的放大电路。 位于 放大微弱信号的场合，放大器 本 身 产生 的噪声对信号的干扰 也许会很严重， 所以 希望减小 此类 噪声，以 达到 提高输出的信噪比 的目的 。 由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数 F 来表示。理想放大器的噪声系数 F=1（即 0dB），其表现的物理意义为输出信噪比等于输入信噪比。 1现代设计的低噪声放大器一般都采用晶体管 、场效应晶体管进行制作；微波低噪声放大器则利用变容二极管参量放大器，
14、常温下参放的噪声温度 Te 能够低于几十度 (绝对温度 )，致冷参量放大器可达 20K 以下。砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于 2 分贝。放大器的噪声系数也与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。为了同时保证低噪声和高增益的技术达标，常采用共发射极一共基极基联的低噪声放大电路。 2 Advanced Design System（ ADS）软件是 Agilent 公司在 HP EESOF EDA 软件基础上发展完善的大型综合设计软 件。该软件功能多样、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。本文重点讲解利用 ADS 软件来设计微
15、波低噪声放大器的仿真以及优化。 1.2 微波低噪声放大器的应用 低 噪声放大器 (LNA)主要面向 的是移动通信 基础设施基站应用， 比如 收发器 无线通信 卡、塔顶放大器 (TMA)、组合器、中继器以及远端 /数字无线宽带头端设备等应用设计， 同时 为低噪声指数 (NF, Noise Figure)立下了新 的标杆 。 低噪声放大器是雷达、电子对抗及遥测遥控接受系统等的核心部件。 L、 S 波段的低噪声放大器通常 用作遥测、遥控系统。在电子对抗、雷达侦察中，由于需要接收到的信号的频率范围无法准确得知，其实频率范围也是要侦察的内容之一，因此要求接收系机的频率范围足够大，同样的放大器的频率也被要
16、求足够宽。另外，雷达侦测接收的是雷达发射的折射波，是单程接收；但雷达接收的是目标的回波，使得侦察机处于雷达作用的范围以外时就可以提早发现雷达目标。灵敏度越高的接收机侦察范围就越大，例如高灵敏度的超外差式接收机可以实现超远程侦察，用以监视敌远程导弹的发射。要提高侦察距离，就要提高接收机的灵敏度，则需要设计高性能的低噪声放大器。 3 在国际卫星通信的应用中 , 低噪声放大器的主要发展趋向是改进性能和降低成本。由于国际通信量年复一年地迅速增加 , 所以必须通过改进低噪声放大器的性能来满足不断增加的通信需求。所以 , 要不懈地不断努力去展宽带低噪声放大器的带宽和降低其噪声 系数。 4从经济观点 出发
17、, 卫星通信整个系统的成本必须减少到能与海底电缆系统相竞争。降低低噪声放大器的噪声温度是降低卫星通信系统成本的一种最有效的方法 , 因为地面站天线的直径可以通过改善噪声温度性能而减小。 另一方面 , 在国内卫星通信应用中 , 重点放在低噪声放大器的 不用维修特性以及低噪声和宽带性能 , 因为在这些系统中越来越广泛地采用无人管理的工作方式 , 特别在电视接收地面站中更是如此。 卫星通信用的低噪声放大器可以分为两种类型 低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放陕西理工学院毕业论文 第 2 页 共 39 页 大器。这些低噪声放大器用在几个频段内 , 包括 4GHz, 12GHz 和毫米波频段。宽带低噪
18、声放大器的实现又有很多种类型。 SiGe 工艺具有优异的射频性能，更由于其较高的性价比，被广泛应用于移动通信、卫星定位和 RFID 等市场； SiGe 工艺还可以与常规的数字模拟电路相集成，制造出功能完整的 SoC 芯片。目前采用 SiGe 材料制作射频集成电路已成为国际上的研究热点。实现前端的低噪声放大器是最近兴起的超宽带射频通信系统中的挑战之一。业界一直在追求完全集成的超宽带通信系统 SOC，与其他工艺相比， CMOS 工艺更易于系统集成 ,所以人们设计出了许多的 CMOS 工艺的超宽带低噪声放大器。 1.3 微波低噪声放大器的发展现状 可以对微波信号放大的元器件有很多，速调管与行波管特定
19、用作于高功率环境下放大微波信号，并且噪声系数很高；参量放大器能够用作于低噪声的放大，然而带宽较窄；使用半导体材料的雪崩效应工作的雪崩二极管，由于其噪声较 大，故基本上用作负载功率放大器；此外，还有隧道二极管、体效应二极管等微波固体器件，但隧道二极管可承受的信号功率小，容易烧毁且应用很少，而体效应二极管工作电压较低、调频噪声小故多用作于振荡器。量子放大器的噪声系数最好，但是它过于庞大并且价格昂贵。 从二十世纪四十年代微波晶体管的问世，由于体积小、重量轻的特点使得其成为微波固体器件的一个重要组成部分。在六十年代中期，由于平面外延工艺的快速发展，双极型晶体管也能够应用于微波射频波段。并且，随着半导体
20、材料和工艺的迅猛发展，场效应晶体管也应用于微波射频频段之中。微波晶 体管放大器具有宽频带、稳定性好、噪声性能好、动态范围大等优点。在过去的三十几年里，低噪声经历了飞速的发展。在 80 年代时期，低噪声放大器的噪声指标已经非常优秀了，但由于体积重量均较大，功耗也比较大等缺点，卫星地面终端对低噪声、重量轻、低功耗以及高可靠性同时提出了要求，当时的低噪声放大器还很难做到各项技术指标的达标。随着分子束外延 (MBE)和金属有机化合物化学汽相淀积 (MOCVD)等晶体生长技术、“能带工程”原理在器件设计中的成功应用，还有电路匹配技术与器件工艺技术的发展，人们研制出了很多新型的半导体器件。除去 砷化钾的场
21、效应晶体管 (GaAs FET)之外，其中的高性能晶体管有高电子迁移率晶体管 (HEMT)和异质结双极晶体管 (HBT)。 1981 年法国 Thomson CSF 公司研制成功第一个低噪声 HEMT，在 10GHz 条件下， NF为 2.3dB， Ga为 10.3dB。在接下来的五年里， HEMT 已取得了明显的进步，成为公认的最适于毫米波应用的低噪声器件之一。在 60GHz 下，用 GaAs 基的 HEMT 器件能够达到 NF 1.7dB， Ga 7.6dB。InP-HEMT 在 1987 年问世之后的几年里，噪声性能已提高到令人惊奇的程度，是目 前毫米波高端应用最好的低噪声器件。在 60
22、GHz 下， InP-HEMT 能够达到 NF 0.9dB， Ga 8.6dB。目前，利用 HEMT制作的多级低噪声放大器已广泛用于卫星接收系统、电子系统及雷达系统。到了 90 年代，随着晶体材料技术与微细加工技术的逐渐成熟，毫米波 MMIC 进入实用化阶段。 5 7 长期以来，射频电路的工艺是以 GaAs、 SiGe 衬底的 BiCMOS/Bipolar 工艺作为主导地位的，主要是因为其高截止频率、高增益以及相对较低的噪声系数。但是，在通信电路中的基带处理和数字信号处理一般都利用集成度较高的 CMOS 工艺，所以工艺的不兼容性长期以来成为了影响射频集成电陕西理工学院毕业论文 第 3 页 共
23、39 页 路发展的主要因素。近些年人们对硅基深亚微米 CMOS 工艺技术不断研究，使得 MOS 晶体管的各项技术指标得到了显著的改善。例如， MOSFET 的截止频率可以达到 150GHz，这使得利用 CMOS 工艺可以制作射频集成电路。另外，和传统的射频工艺相比， CMOS 工艺的优势相当明显 高集成度 (与基带、数字信号处理模块工艺兼容 )、低成本。所以 CMOS 射频集成电路成为当前的研究的主流。 作为射频前端的关键模块的 LNA，国内外的学者都对其进行了细致的研究。其中Derek K.Shaeffer 和 Thomas H.Lee 对深亚微米下的 LNA 的噪声性能作了详细研究，他们所
24、提出的功耗约束下的噪声优化法被许多的研究者所采用。之后 P.Aadreani 提出了在功耗约束条件下的噪声与功率同时匹配的方法，改善了 LNA 的噪声优化技术。近几年来，线性化技术也是一个研究的热点，提高 LNA 的线性度的方法有经典的导数叠加技术与改进的导数叠加技术，它们主要是利用偏置在不同工作区的晶体管相并联，以抵消他们的三阶非线性分量，从而提高三阶交调点。 8 1.4 本次毕业设计的意义和主要工作内容 低噪 声放大器， 顾名思义为噪声系数很低的放大器。通常用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统灵敏度。 13在
25、放大微弱信号的场合，放大器自身产生的噪声对信号的干扰可能比较严重，所以希望减小这种噪声，以达到提高输出的信噪比的目的。 微波低噪声放大器是微波通信系统的前端装置，能够直接接收从天线发出的微波信号，并对其进行放大。整个微波通信系统的噪声系数几乎完全受微波低噪声放大器的噪声系数的影响，所以对其噪声的优化是一个相当重要的部分了。低噪声 放大器在微波通信，卫星地面接收，卫星遥感，雷达， GPS 接收机等当代信息通信系统中都有着非常重要的应用，因此本设计具有着一定的实际意义。 本次毕业设计采用惠普公司的 AT32011 晶体管，在确定了噪声系数、稳定因子、增益系数和输入输出驻波比等各项参数指标要求的情况
26、下进行静态工作点扫描、 S 参数扫描、计算输入输出阻抗、制作输入输出匹配网络并进行优化以及偏置电路的仿真设计。 本次制作微波低噪声放大器的各项指标参数为： 低噪声放大器的中心频率选为 2.4GHz，带宽 80MHz。 通带内的增益达到 11dB。 通带内 的噪声系数小于 3。 通带内 K1，绝对稳定。 通带内的输入驻波比小于 1.7。 通带内的输出驻波比小于 2.2。 系统内的特性阻抗选为 50。 微带线基板的厚度设置为 0.8mm，基板的相对介电常数设置为 4.3。 9 陕西理工学院毕业论文 第 4 页 共 39 页 二低噪声放大器的理论基础 在低噪声放大器的设计中，通常需要考虑很多技术指标
27、，其中最重要的就是稳定性、增益、输入输出驻波比和噪声系数。 2.1 放大器的稳定性 在设计微波低噪声放大器时，需要着重考虑电路的稳定性，这与低频电路的设计方法完全不同。稳定性是指放大器抑制环境的变化（信号中 心频率、温度、源和负载变化），维持正常工作的能力，由于反射波的存在，微波放大器在某些工作频率或终端条件下有产生振荡的倾向，不再发挥放大器的作用，因此需要使得电路在中心频率时稳定因子 K1 是非常必要的。 10 放大器的二端口网络如图 2.1 所示，由于反射波的存在，设源的反射系数为 S ，负载的反射系数为 L ，二端口网络输入端的反射系数为 in ，二端口网络输出端的反射系数为 out ，若反射系数的模大于 1，传输线上的反射波的振幅将比入射波的振幅大，从而导致整体电路的稳定因子 K1,即绝对稳定。 2.2 放大器的功率增益 对输入信号进行放大，是放大器最主要的任务，所以在设计低噪声放大器的仿真设计中，增益有着相当重要的地位。放大器的转换功率增益为 22222122|1| |1|1| |1 LLSin ST SSG （ 2.3） 二端口网络 Zs ZL Vs
