專利名稱：一種寬帶多目標(biāo)低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波通信領(lǐng)域，特別是一種利用計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)得到 的具有寬帶、多目標(biāo)等綜合性能的寬帶多目標(biāo)低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)方法。
技術(shù)背景.
微波低噪聲高增益放大器是雷達(dá)、通信和電子對(duì)抗等電子系統(tǒng)中關(guān)鍵的微 波部件，有著廣泛的軍用和民用價(jià)值。由于微波系統(tǒng)的噪聲系數(shù)基本上取決于 前級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，因此放大器性能的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)性能的好 壞。
低噪聲放大器是雷達(dá)、通信和電子對(duì)抗等電子系統(tǒng)中關(guān)鍵的微波部件，其 噪聲系數(shù)是一個(gè)最重要的指標(biāo)，直接反映了接收機(jī)的靈敏度，有著廣泛的軍用 和民用價(jià)值。
直流偏置的設(shè)計(jì)是影響低噪聲性能的一個(gè)主要因素，最后設(shè)計(jì)的性能不良
往往歸結(jié)于直流偏置設(shè)計(jì)不當(dāng)。HEMT的偏置有多種方式，比較常用的一種是 漏極加正電壓，柵極加負(fù)電壓以控制漏極電流，源極對(duì)直流是直接接地。這種
偏置方法的優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)樵礃O沒有偏置電路，所以引入的源極反饋較小，對(duì)高 頻而言比較容易穩(wěn)定。但是這種偏置方法也有缺點(diǎn)，偏置電路相當(dāng)于并聯(lián)在
LNA中的傳輸線上，對(duì)LNA的性能會(huì)有影響。首先LNA接不同電源或電源 受到千擾會(huì)影響偏置電路等效的并聯(lián)阻抗，從而改變LNA的匹配；其次對(duì)于 第一級(jí)放大網(wǎng)絡(luò)的柵極而言，偏置電路中有耗元件產(chǎn)生的噪聲會(huì)直接加到LNA的輸入端，這會(huì)顯著提高LNA的噪聲。
通常，增強(qiáng)電路穩(wěn)定性方法如下
1、 在漏極使用阻性負(fù)載，能夠在很寬的頻段內(nèi)使器件產(chǎn)生等阻抗，從而獲
得寬帶穩(wěn)定性，其缺點(diǎn)是阻性終端消耗一些能量，降低輸出功率。
2、 在源極與地之間加電感(就是源極反饋)，可引起串聯(lián)反饋，它所起的
作用隨頻率不同而不同。在比較高的頻率，如12GHz，添加的源極電感引起正 反饋，使器件增益提高，但會(huì)引起不穩(wěn)-定；在較低頻率，源極電感引起負(fù)反饋， 使器件增益降低、穩(wěn)定性提高。在微帶電路中，源極反饋可以是電感分立元件， 也可以是一段短傳輸線，通常采用后者。
上述設(shè)計(jì)如果人工來(lái)完成是非常困難的，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力也難以得到滿意的 結(jié)果。如以設(shè)計(jì)者自行編寫程序的方式進(jìn)行分析和優(yōu)化，工作量也同樣是巨大 的，體現(xiàn)在對(duì)模型的建立、算法的選擇和數(shù)據(jù)的處理等方面，都是得不償失的。 而仿真軟件提供了一個(gè)優(yōu)秀的仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)者可以把精力集中在優(yōu)化設(shè) 計(jì)上，而不必為具體的編程花費(fèi)精力，因而大大提高了工作效率。
但是傳統(tǒng)的仿真方式是取整個(gè)寬帶的中心點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，設(shè)定一中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 用軟件進(jìn)行分析優(yōu)化目標(biāo)，但是這種方式存在兩種弊端。 一是不能保證這種結(jié) 構(gòu)是最優(yōu)的。二是需要多次的調(diào)整仿真的周期很長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種寬帶多目標(biāo)低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)方法，以克服上述 缺陷。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種寬帶多目標(biāo)低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)方法，包括選擇合適的器件及工作狀態(tài)、測(cè)量器件的S參數(shù)以及設(shè)計(jì)直流偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；
所述選擇合適的器件及工作狀態(tài)包括以下步驟根據(jù)對(duì)增益和噪聲的要求，
選擇相匹配的砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管管；根據(jù)最小噪聲系數(shù)來(lái)選取第一級(jí)的工作
電流，并根據(jù)最佳增益條件并兼顧噪聲來(lái)選取第二級(jí)的工作電流，用于提高低
噪聲放大器的ldB輸出功率；
所述測(cè)量器件的S參數(shù)包括以下步驟
判斷穩(wěn)定性二端口詞絡(luò)絕對(duì)穩(wěn)定性，若同時(shí)滿足以下三個(gè)條件-
(2)1522卩> | S12 S21| 式中，Su、 S12 、 S21、 S22、 Ds是砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的S參數(shù)
Ds-SuS22—S,2S2p Ks為穩(wěn)定因子，
則二端口網(wǎng)絡(luò)具有絕對(duì)穩(wěn)定性；
若不同時(shí)滿足上述三個(gè)條件時(shí)，則在器件能夠獲得增益的所有頻段上進(jìn)行 穩(wěn)定性分析，以及估計(jì)潛在不穩(wěn)定區(qū),以避免可能產(chǎn)生問(wèn)題的源和負(fù)載阻抗； 所述設(shè)計(jì)直流偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)包括以下步驟 采用扼流網(wǎng)絡(luò)在靠近射頻部分提供去耦結(jié)構(gòu)、在靠近電源部分提供低頻阻 抗的結(jié)構(gòu)采用一條l/4波長(zhǎng)傳輸線和一個(gè)分布的扇形電容構(gòu)成低頻阻抗的結(jié)
構(gòu)，并通過(guò)改變傳輸線的長(zhǎng)度或電容的面積來(lái)改善性能；根據(jù)所選取的砷化鎵 場(chǎng)效應(yīng)晶體管前產(chǎn)生的損耗對(duì)放大器的噪聲系數(shù)的影響，使用高性能低損耗的 基片以減小損耗；調(diào)整整個(gè)寬帶的范圍中增益、幅平、噪聲系數(shù)、輸入輸出駐 波比各項(xiàng)指標(biāo)。所述測(cè)量器件的S參數(shù)還包括以下步驟
在源極與地之間加入電感，即源極反饋，用于引起串聯(lián)反饋，源極反饋為 一段短傳輸線。
所述設(shè)計(jì)直流偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)還包括以下步驟 選取輸入匹配的電路拓樸結(jié)構(gòu)，避免非常細(xì)的輸入線。 本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)，可以較容易地獲得具有寬帶、多目 等綜合標(biāo)性指標(biāo)的匹配設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的寬帶多目標(biāo)低噪聲放大器具有低噪聲、 高增益的優(yōu)點(diǎn)。
采用本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法可以在噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響效的情況下，選取最佳工 作電流，并從最佳增益條件考慮，兼顧了噪聲。
采用本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法能夠獲得增益的所有頻段上進(jìn)行穩(wěn)定性分析，同 時(shí)，估計(jì)潛在的不穩(wěn)定區(qū)，以避免可能產(chǎn)生問(wèn)題的源和負(fù)載阻抗。


圖1為寬帶多目標(biāo)低噪聲放大器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)原理框圖。 圖2為網(wǎng)絡(luò)偏置形式的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明的鏡像仿真原理圖。 圖4為本發(fā)明的輸入匹配原理圖。 圖5為本發(fā)明的輸出匹配原理圖。 圖6為本發(fā)明的輸入匹配輸出匹配總示原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明的放大器采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由放大網(wǎng)絡(luò)、 偏置電路和匹配網(wǎng)絡(luò)組成。
一種寬帶多目標(biāo)低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)方法，包括選擇合適的器件及工作狀 態(tài)、測(cè)量器件的S參數(shù)以及設(shè)計(jì)直流偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；
選擇合適的器件及工作狀態(tài)包括以下步驟根據(jù)對(duì)增益和噪聲的要求，選 擇相匹配的砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管管；根據(jù)最小噪聲系數(shù)來(lái)選取第一級(jí)的工作電 流，并根據(jù)最佳增益條件并兼顧噪聲來(lái)選取第二級(jí)的工作電流，用于提高低噪 聲放大器的1dB輸出功率；
所述測(cè)量器件的S參數(shù)包括以下步驟-
判斷穩(wěn)定性二端口網(wǎng)絡(luò)絕對(duì)穩(wěn)定性，若同時(shí)滿足以下三個(gè)條件
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式中，S 、 S12 、 S21、 S22、 Ds是砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的S參數(shù) Ds=SuS22—S12S2l， Ks為穩(wěn)定因子， 則二端口網(wǎng)絡(luò)具有絕對(duì)穩(wěn)定性；
若不同時(shí)滿足上述三個(gè)條件時(shí)，則在器件能夠獲得增益的所有頻段上進(jìn)行 穩(wěn)定性分析，以及估計(jì)潛在不穩(wěn)定區(qū)，以避免可能產(chǎn)生問(wèn)題的源和負(fù)載阻抗； 所述設(shè)計(jì)直流偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)包括以下步驟-采用扼流網(wǎng)絡(luò)在靠近射頻部分提供去耦結(jié)構(gòu)、在靠近電源部分提供低頻阻 抗的結(jié)構(gòu)
采用一條l/4波長(zhǎng)傳輸線和一個(gè)分布的扇形電容構(gòu)成低頻阻抗的結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變傳輸線的長(zhǎng)度或電容的面積來(lái)改善性能；
根據(jù)所選取的砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管前產(chǎn)生的損耗對(duì)放大器的噪聲系數(shù)的 影響，使用高性能低損耗的基片以減小損耗；
調(diào)整整個(gè)寬帶的范圍中增益、幅平、噪聲系數(shù)、輸入輸出駐波比各項(xiàng)指標(biāo)。
測(cè)量器件的S參數(shù)還包括以下步驟在源極與地之間加入電感，即源極反 饋，用于引起串聯(lián)反饋，源極反饋為一段短傳輸線。
設(shè)計(jì)直流偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)還包括以下步驟r選取輸入匹配的 電路拓樸結(jié)構(gòu)，避免非常細(xì)的輸入線。
本發(fā)明的主要流程如下
首先，選擇合適的器件及工作狀態(tài)
LNA所能達(dá)到的最佳指標(biāo)很大程度上取決于所選用的晶體管。根據(jù)對(duì)增
益和噪聲的要求，選擇噪聲系數(shù)較低的砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GaAsFET管)。
假定Fn是第n級(jí)的噪聲系數(shù),Gn是第n級(jí)的功率增益，那么n級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的
噪聲系數(shù)定義為
F F ,尸2 — 1 F3 — 1 F — 1
^au — ^Si ^ 卜 G!G2 十 十G!G2…G"—!
由式(l)可知，第一級(jí)的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響是最大的，后面各級(jí)對(duì)噪聲的貢 獻(xiàn)很小，因此第一級(jí)應(yīng)根據(jù)最小噪聲系數(shù)來(lái)選取最佳的工作電流，第二級(jí)從最 佳增益條件來(lái)考慮，同時(shí)兼顧噪聲。
其次，測(cè)量晶體管的S參數(shù)
判斷穩(wěn)定性二端口網(wǎng)絡(luò)絕對(duì)穩(wěn)定的充要條件如下i isur>is12s21i i is22r>is12s21i
Ks越大，穩(wěn)定性越高。上面的3個(gè)條件有任何一個(gè)不滿足時(shí)，二端口網(wǎng)絡(luò)
都將是潛在不穩(wěn)定的。
當(dāng)采用潛在不穩(wěn)定器件設(shè)計(jì)放大器時(shí)，必須先確保放大器的穩(wěn)定。設(shè)計(jì)放 大器時(shí)需要其在工作頻率下絕對(duì)穩(wěn)定，但這并不意味著放大器在工作頻率外的 某個(gè)其他頻段上不振蕩，帶外振蕩可能產(chǎn)生足夠大的幅度以至減小帶內(nèi)增益或 增大噪聲。因此需要在器件能夠獲得增益的所有頻段上進(jìn)行穩(wěn)定性分析，估計(jì) 潛在不穩(wěn)定區(qū),以避免可能產(chǎn)生問(wèn)題的源和負(fù)載阻抗。
在源極與地之間加電感(就是源極反饋)，可引起串聯(lián)反饋，它所起的作
用隨頻率不同而不同。在比較高的頻率，如12GHz，添加的源極電感引起正反 饋，使器件增益提高，但會(huì)引起不穩(wěn)定；在較低頻率，源極電感引起負(fù)反饋， 使器件增益降低、穩(wěn)定性提高。在微帶電路中，源極反饋可以是電感分立元件， 也可以是一段短傳輸線，本發(fā)明采用后者。
最后，設(shè)計(jì)直流偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)
因此偏置電路對(duì)LNA應(yīng)妥善隔離，即其等效的并聯(lián)阻抗要盡量大，這里可 以采用扼流網(wǎng)絡(luò)。扼流網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是在靠近射頻部分提供去耦、靠近電源部分提供 低頻阻抗的結(jié)構(gòu)，通常由一條l/4波長(zhǎng)傳輸線和一個(gè)分布的扇形電容構(gòu)成。如 果扼流網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)通路提供射頻開路，電路性能就沒有變化；如果噪聲系數(shù)改 變，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)沒起到合適的旁路作用，可以通過(guò)改變傳輸線的長(zhǎng)度或電容的面 積來(lái)改善性能。扼流網(wǎng)絡(luò)的恰當(dāng)設(shè)計(jì)可以使NF降低0.5dB左右。常見的偏置形式如圖2所示。
尸 尸 尸2 一 1 尸3 — 1 Fn — 1
由式aU 一1 Gi GiG2 +…+ C^廣d 可知，第一
階FET前產(chǎn)生的損耗對(duì)放大器的噪聲系數(shù)有很大影響，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小
損耗，可以使用高性能低損耗的基片，挑選物理尺寸小的輸入匹配電路拓樸， 避免非常細(xì)的輸入線。
設(shè)計(jì)中要保證放大器的穩(wěn)定性，同時(shí)在整個(gè)寬帶的范圍中增益、幅平、噪 聲系數(shù)、輸入輸出駐波比等幾項(xiàng)指標(biāo)需要折衷以達(dá)到最終要求，從而匹配網(wǎng)絡(luò) 的形式和直流偏置的設(shè)計(jì)。對(duì)整體電路的優(yōu)化有著重要的影響。
如圖3，兩個(gè)電容可軍選取一5pF的電容，前級(jí)負(fù)載電阻和后級(jí)負(fù)載電阻可 均選取50歐姆的電阻，電感可選取一5nH。
如圖4,電容可軍選取5pF的電容，前級(jí)負(fù)載電阻和后級(jí)負(fù)載電阻可均選取 50歐姆的電阻。
如圖5，電容可軍選取5pF的電容，前級(jí)負(fù)載電阻和后級(jí)負(fù)載電阻可均選取 50歐姆的電阻，電感可選取5nH。
如圖6，利用仿真軟件，實(shí)現(xiàn)輸入匹配輸出匹配總示原理圖。經(jīng)過(guò)仿真軟 件的調(diào)試和仿真，最終可獲得合適的寬帶多目標(biāo)低噪聲放大器的電路參數(shù)。
本發(fā)明未涉及的硬件部分和軟件部分均可通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、一種寬帶多目標(biāo)低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)方法，包括選擇合適的器件及工作狀態(tài)、測(cè)量器件的S參數(shù)以及設(shè)計(jì)直流偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；其特征是所述選擇合適的器件及工作狀態(tài)包括以下步驟根據(jù)對(duì)增益和噪聲的要求，選擇相匹配的砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管；根據(jù)最小噪聲系數(shù)來(lái)選取第一級(jí)的工作電流，并根據(jù)最佳增益條件并兼顧噪聲來(lái)選取第二級(jí)的工作電流，用于提高低噪聲放大器的1dB輸出功率；所述測(cè)量器件的S參數(shù)包括以下步驟判斷穩(wěn)定性二端口網(wǎng)絡(luò)絕對(duì)穩(wěn)定性，若同時(shí)滿足以下三個(gè)條件(1)|S11|2＞|S12S21|(2)|S22|2＞|S12S21|<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><msub> <mi>K</mi> <mi>S</mi></msub><mo>-</mo><mfrac> <mrow><mn>1</mn><msup> <mrow><mo>|</mo><msub> <mi>S</mi> <mn>11</mn></msub><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><msup> <mrow><mo>|</mo><msub> <mi>S</mi> <mn>22</mn></msub><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>|</mo><msub> <mi>D</mi> <mi>S</mi></msub><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mo>|</mo><msub> <mi>S</mi> <mn>12</mn></msub><msub> <mi>S</mi> <mn>21</mn></msub><mo>|</mo> </mrow></mfrac><mo>></mo><mn>1</mn> </mrow>]]></math></maths>式中，S11、S12、S21、S22、DS是砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的S參數(shù)DS＝S11S22-S12S21，KS為穩(wěn)定因子，則二端口網(wǎng)絡(luò)具有絕對(duì)穩(wěn)定性；若不同時(shí)滿足上述三個(gè)條件時(shí)，則在器件能夠獲得增益的所有頻段上進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以及估計(jì)潛在不穩(wěn)定區(qū)，以避免可能產(chǎn)生問(wèn)題的源和負(fù)載阻抗；所述設(shè)計(jì)直流偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)包括以下步驟采用扼流網(wǎng)絡(luò)在靠近射頻部分提供去耦結(jié)構(gòu)、在靠近電源部分提供低頻阻抗的結(jié)構(gòu)采用一條1/4波長(zhǎng)傳輸線和一個(gè)分布的扇形電容構(gòu)成低頻阻抗，并通過(guò)改變傳輸線的長(zhǎng)度或電容的面積來(lái)改善性能；根據(jù)所選取的砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管前產(chǎn)生的損耗對(duì)放大器的噪聲系數(shù)的影響，使用高性能低損耗的基片以減小損耗；調(diào)整整個(gè)寬帶的范圍中增益、幅平、噪聲系數(shù)、輸入輸出駐波比各項(xiàng)指標(biāo)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述測(cè)量器件的S參數(shù)還包括以下 步驟.-在源極與地之間加入電感，即源極反饋，用于引起串聯(lián)反饋，源極反饋為 一段短傳輸線。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述設(shè)計(jì)直流偏置電路和輸入輸出 匹配網(wǎng)絡(luò)還包括以下步驟選取輸入匹配的電路拓樸結(jié)構(gòu)，避免非常細(xì)的輸入線。
全文摘要
一種寬帶多目標(biāo)低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)方法，包括選擇合適的器件及工作狀態(tài)、測(cè)量器件的S參數(shù)以及設(shè)計(jì)直流偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。采用本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法可以在噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響效的情況下，選取最佳工作電流，并從最佳增益條件考慮，兼顧了噪聲。采用本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法能夠獲得增益的所有頻段上進(jìn)行穩(wěn)定性分析，同時(shí)，估計(jì)潛在的不穩(wěn)定區(qū)，以避免可能產(chǎn)生問(wèn)題的源和負(fù)載阻抗。
文檔編號(hào)H03F1/26GK101567670SQ20091002786
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月18日
發(fā)明者顧菜鈞 申請(qǐng)人:南京賽格微電子科技有限公司