微波宽带低噪声放大器的研究与设计

摘要

近年来，无线通信广泛应用于航天、军事、移动通讯以及物联网等各个领域，随着5G时代的到来其应用领域将进一步拓展延伸，整个行业向着更高的频段、更高的传输率、更广的覆盖范围、更强的兼容性的目标发展。这些都对无线通信设备提出了更高的要求，其中的一个关键点就是拓展设备的带宽。提高带宽可以满足设备对不同通信标准的兼容性，满足不同应用场景的需求，在设备成本，功耗和体积等方面拥有巨大的优势。作为接收前端关键模块之一，低噪声放大器决定着接收前端的整体性能。微波宽带低噪声放大器已经成为如今学术和工业界研究的热点，具有广泛的应用前景和巨大的市场价值。本文主要围绕宽带低噪声放大器这一课题，主要阐述了以下内容： 首先，我们对近几年微波宽带低噪声放大器相关的国内外文献进行了调研和总结，然后对低噪声放大器的基本理论和关键指标进行了简要说明，同时对噪声的来源和分类进行了介绍和总结。接着对低噪声放大器的宽带技术进行了深入地研究与总结。最后设计了三款低噪声放大器并对其设计过程进行了详细分析说明。 围绕Sub-GHz频段的应用，本文基于GaAs pHEMT工艺设计了两款宽带低噪声放大器。第一款低噪声放大器主要利用Cascode结构实现高增益和高隔离度，利用RC负反馈实现宽带的输入输出匹配。测试结果表明，在20MHz-1GHz的频带内，放大器增益为19±0.25dB,输入输出回波损耗小于-15dB，输出P-1dB大于23dBm,噪声系数小于1dB(仿真结果)。第二款低噪声放大器同样利用RC负反馈结构实现宽带特性，利用增强型晶体管和耗尽型晶体管构成的达林顿结构进一步拓展带宽同时实现电路自偏置。测试结果表明在工作频带内放大器可以实现16dB增益和22dBm的输出P-1dB，输入输出回波损耗小于-10dB，噪声系数为1dB(仿真结果)。 围绕毫米波段的应用，本文基于GaAs pHEMT工艺设计了一款18-40GHz的宽带低噪声放大器。该电路在四级共源级联结构的基础上结合多节滤波器匹配结构和串并联电感峰值技术在宽带范围内实现较高的增益和输出P-1dB。测试结果显示，电路在18-40GHz的频带内增益大于20dB，输出P-1dB达到22dBm，输入输出回波损耗小于-10dB。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 微波宽带低噪声放大器研究现状

1.3 本论文的主要章节安排

第二章 低噪声放大器基础理论

2.1 低噪声放大器主要指标

2.1.1 增益

2.1.2 噪声系数

2.1.3 线性度

2.1.4 稳定性

2.1.5 回波损耗

2.2 噪声理论

2.2.1 噪声类型

2.2.2 二端口网络噪声理论

2.3 本章小结

第三章 低噪声放大器宽带技术

3.1 分布式结构

3.2 反馈结构

3.3共栅结构

3.4 电感峰值技术

3.5 多级滤波器匹配结构

3.6 本章小结

第四章 Sub-GHz波段宽带低噪声放大器设计

4.1 低噪声放大器设计指标

4.2.1 工艺选择

4.2.2 拓扑结构选择

4.3 整体放大器电路仿真设计

4.3.1 Cascode负反馈结构电路仿真设计

4.3.2 达林顿负反馈结构电路仿真设计

4.4.1 测试板设计

4.4.2 低噪声放大器测试

4.4.3 低噪声放大器测试结果及对比分析

4.5 本章小结

第五章18-40 GHz宽带低噪声放大器设计

5.1 设计指标

5.2 拓扑结构选择

5.3 电路原理图设计

5.3.1晶体管尺寸与偏置的选择

5.3.2输入匹配设计

5.3.3级间匹配设计

5.3.4输出匹配设计

5.3.3完整电路仿真

5.4 电路版图设计

5.5 低噪声放大器测试及结果分析

5.6 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作不足及后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果