微波毫米波超宽带低噪声放大单片技术研究

摘要

单片微波集成电路简称MMIC，是一种把有源和无源元器件制作在同一块半导体基片上的微波电路。它具体积小、稳定性高、一致性好、寄生参量小、大批量低成本等特点，成为军事电子和民用通信系统最具吸引力的选择。毫米波低噪声放大器是毫米波接收机的前级电路，其性能直接关系着整机的噪声性能。宽频带，低噪声的毫米波放大器是制约高性能毫米波接收机系统的难题。本文的研究工作即是基于MMIC技术，研制频率覆盖K和Ka两个波导波段，具有平坦增益的超宽带低噪声放大器。 本文首先对pHEMT器件的工作机理和小信号噪声等效电路进行了研究，分析了pHEMT器件结构(栅宽、栅指数)对噪声、增益的影响，并由此对器件的尺寸进行了优化选择。 本文先采用平衡式的结构回避了低噪声放大器输入驻波和噪声的矛盾关系。之后又改进设计了一个三级级联的放大器。该放大器采用源极负反馈技术，使输入阻抗匹配点与最佳噪声点靠近，同时实现低噪声系数与低输入端驻波的指标要求；采用损耗匹配的方式，设计匹配网络使频率低端的部分电磁能量损耗在电阻性元件上，以此来降低频率低端增益，抵消了晶体管自身增益随频率的滚降，使增益平坦度满足要求。 采用0,15μm GaAs pHEMT工艺加工制作了一个三级的低噪声放大器单片。测试结果显示，芯片在21-40GHz频段具有18dB增益，不平坦度小于±2.5dB，输入、输出回波损耗优于-9dB，噪声系数平均3dB。 该低噪声放大器单片具有宽频带，增益平坦的特点，有望应用于电子战、宽带高速通信、测量等方面。

目录

文摘

英文文摘

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第一章引言

1.1微波低噪声放大器概述与发展动态

1.2本课题的意义

1.3本文主要工作

第二章MMIC技术简介

2.1 MMIC技术发展简史

2.2 MMIC技术特点

2.2.1成本

2.2.2性能

2.2.3尺寸和重量

2.2.4可靠性

2.3 MMIC应用

2.4有源器件技术

2.4.1半导体材料

2.4.2晶体管类型

2.5 MMIC工艺流程

2.5.1基片材料生长与晶圆制作

2.5.2有源层制作

2.5.3光刻

2.5.4通孔与背面金属化

第三章低噪声放大器基本理论

3.1噪声相关理论

3.1.1热噪声

3.1.2噪声温度与噪声系数

3.2低噪声放大器基本指标

3.2.1功率增益

3.2.2稳定性

3.2.3带宽、增益平坦度以及端口驻波比

3.2.4非线性特性

3.3晶体管噪声特性

3.4二端口噪声表示

3.5器件模型

第四章电路设计

4.1电路方案选择

4.2平衡式放大器设计

4.2.1器件的选择

4.2.2放大器的稳定性

4.2.3平衡式结构与Lange电桥

4.2.4电路仿真

4.3单端级联放大器设计

4.3.1同时匹配噪声与输入端驻波

4.3.2偏置与匹配电路设计

4.3.3电路仿真

第五章测试与分析

5.1 S参数测试

5.2噪声测试

5.3结果分析与改进意见

第六章结论

致谢

参考文献

读研期间学术成果