宽带单片微波低噪声放大器的设计

摘要

低噪声放大器(LNA)在射频接收装置中位于系统的前端，其对射频接收系统的接收灵敏度和噪声性能起着决定性作用。随着单片微波集成电路(MMIC)技术及工艺的发展成熟，高性能低噪声放大器的需求日益扩大，本文的研究工作就是基于MMIC技术，研制频率覆盖K和Ka两个波导波段，具有优良性能的微波宽带低噪声放大器。在整个设计研发过程中，针对各个指标的要求，提出了一种改进的偏置、匹配以及负反馈网络，很好的满足了设计指标的要求。
　　论文分析了低噪声放大器的基本理论，完成了20GHz～30GHz宽带低噪声放大器设计，对直流偏置电路、匹配电路进行了电路结构设计与仿真，完成了整体电路的偏置网络设计、匹配网络设计，分析了整体电路的稳定性，并针对工作频段20GHz～30GHz的要求，本文所设计的电路选择了0.15umGaAsPHEMT低噪声器件模型，仿真实现了放大器电路的高频宽带工作以及低噪声，整体电路以MMIC工艺完成芯片流片，芯片采用三级放大的拓扑结构，对各级管芯设计了相应的偏置电路，采用微带线匹配网络设计了输入端噪声匹配电路和输出端功率匹配电路，同时利用源极串接微带负反馈电路的方法，提高了电路的稳定性。
　　测试结果表明，最终实现的宽带MMIC低噪声放大器集成在尺寸为2.0mm×1.1mm的GaAs基片上，其工作频带范围为20GHz～30GHz，在工作频带内噪声系数低于3.0dB、增益超过22dB、输入输出驻波比小于2.0，达到了设计指标的要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 单片微波集成电路概述

1．2 本研究课题的意义及国内外发展现状

1．3 本论文研究的主要内容

第二章 宽带微波低噪声放大器基本理论

2．1 二端口网络的基本概念

2．1．1 S参数的定义及物理意义

2．1．2 S参数与反射系数的关系

2．1．3 S参数与传输功率的关系

2．2 噪声理论

2．3 稳定性设计

2．4 偏置网络

2．5 匹配网络

2．6 宽带微波低噪声放大器的主要性能指标

2．6．1 稳定性

2．6．2 功率增益

2．6．3 噪声系数

2．6．4 端口驻波比

2．6．5 非线性特性

2．6．6 工作频带

2．6．7 动态范围

2．7 本章小结

第三章 PHEMT MMIC器件模型及工艺介绍

3．1 PHEMT发展历史及电特性原理

3．1．1 PHEMT发展历史

3．1．2 PHEMT器件电特性原理

3．2 PHEMT MMIC无源元件及模型

3．2．1 电阻模型

3．2．2 MIM电容模型

3．2．3 平面螺旋电感

3．2．4 微带线

3．3 PHEMT MMIC有源器件及模型

3．3．1 PHEMT有源器件小信号等效电路模型及参数提取技术

3．3．2 PHEMT有源器件大信号等效电路模型及参数提取技术

3．3．3 PHEMT有源器件噪声等效电路模型及参数提取技术

3．4 PHEMT MMIC工艺简介

3．4．1 MMIC工艺概述

3．4．2 MMIC制作关键工艺介绍

3．5 本章小结

第四章 PHEMT MMIC宽带单片低噪声放大器设计

4．1 PHEMT MMIC宽带单片低噪声放大器设计指标

4．2 PHEMT MMIC宽带单片低噪声放大器原理图设计及仿真

4．2．1 晶体管及工艺线的选择

4．2．2 总体电路设计方案

4．2．3 稳定性分析和设计

4．2．4 直流偏置电路的设计

4．2．5 匹配电路设计

4．2．6 电路附加结构的设计

4．2．7 原理图电路级联仿真

4．3 PHEMT MMIC宽带单片低噪声放大器版图设计及仿真

4．3．1 电路布局

4．3．2 电磁仿真

4．3．3 原理图—版图设计及联合仿真

4．3．4 最终版图

4．4 本章小结

第五章 PHEMT MMIC宽带单片低噪声放大器实现与测试

5．1 PHEMT MMIC宽带单片低噪声放大器的实现

5．2 PHEMT MMIC宽带单片低噪声放大器的测试

5．2．1 稳定性测试

5．2．2 增益、增益平坦度和驻波的测试

5．2．3 噪声系数测量

5．2．4 饱和输出功率Psat和P1dB的测试

5．2．5 测试结果分析与展望

5．3 本章小结

第六章 结束语

致谢

参考文献

硕士期间学术成果