用于雷达T/R模块的双向放大器设计

摘要

自二十世纪八十年代起，固态有源相控阵系统进入到导航、通信等领域，目前雷达的主流技术就是使用有源相控阵雷达技术，其中T/R组件是有源相控阵雷达技术的核心，它包含着双向放大器，也就是上行电路的功率放大器和下行电路的低噪声放大器。双向放大器作为其中的关键器件，其自身性能的改善，对于提高整个系统的稳定性、节约系统成本等都有着十分重要的意义。
　　由于传统双向放大器中存在的开关会产生2dB左右的插入损耗，在本文的设计中取消了开关部件，提高了系统的整体性能。并且为了达到设计指标，本文的设计电路并不是直接将功率放大器和低噪声放大器连接在一起，而是设计成分布式结构，电路结构基于级联分布式拓扑结构，在输入和输出时共用匹配网络。
　　本文首先介绍了功率放大器的分类、性能参数及线性化技术，并介绍了低噪声放大器的主要设计指标及拓扑结构，其次，对无开关的双向放大器的电路进行了分析和设计，功率放大器的输入和低噪声放大器的输出共用一个端口，功率放大器的输出和低噪声放大器的输入共用一个端口。本文研究了输入及输出匹配电路，并从各个方面对电路进行了优化。
　　本文基于SMIC0.13um CMOS工艺，设计并实现了无开关的双向放大器，并且得出了电路的仿真结果及版图。所设计的电路可以工作在3-4GHz(中心频率3.5GHz)波段中，仿真结果表明文中所设计的无开关双向放大器的输出功率、噪声系数、S参数等指标均满足要求。当电路处于发射状态时，功率放大器的最大输出功率达到25.39dBm，1dB压缩点达到16.3dBm，功率附加效率达到18.9％;当电路处于接收状态时，低噪声放大器的带内增益大于20dB，噪声系数小于3dB，输入三阶交调点大于-10dBm。最后使用Virtuoso进行版图的绘制和后仿真，得到的后仿真结果同样是基本满足所要求的设计指标。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1课题研究目的及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1 雷达及雷达T／R模块的研究现状

1．2．2双向放大器的国内外研究现状

1．3论文的研究内容及结构

1．4本章小结

2功率放大器的理论研究

2．1射频功率放大器的分类

2．1．1 A／B／C／AB类放大器

2．1．2 D／E／F类放大器

2．2功率放大器的性能参数

2．2．1 输出功率

2．2．2 功率增益

2．2．3效率

2．2．4线性度

2．2．5稳定性

2．3功率放大器线性化技术

2．3．1功率倒退法

2．3．2负反馈法

2．3．3负前馈法

2．3．4预失真法

2．4功率放大器稳定性分析

2．5本章小结

3低噪声放大器的理论研究

3．1 经典的二端口网络噪声理论

3．2低噪声放大器的拓扑结构

3．2．1 共源结构

3．2．2并联-串联结构

3．2．3共栅结构

3．2．4源极电感负反馈结构

3．3功耗约束噪声优化

3．4低噪声放大器的主要设计指标

3．4．1 工作频率及工作带宽

3．4．2增益与增益平坦度

3．4．3噪声系数

3．4．4输入和输出驻波

3．4．5动态范围与1dB压缩点

3．5本章小结

4双向放大器的设计与研究

4．1整体设计思路

4．2匹配网络设计

4．3主体电路的设计

4．4本章小结

5总电路仿真结果及分析

5．1主要的器件模型介绍

5．1．1 电感模型

5．2前仿真结果

5．2．1 双向放大器上行电路PA前仿真结果

5．2．2双向放大器下行电路LNA前仿真结果

5．3版图及后仿真

5．3．1版图设计规范

5．3．2双向放大器版图

5．4后仿真结果

5．4．1 双向放大器上行电路PA后仿真结果

5．4．2 双向放大器下行电路LNA后仿真结果

5．5本章小结

6结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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