1、四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制IX波段的LNA的研制专业：电子信息工程（电子信息科学与技术）学生：彭丰 指导老师：李丽华摘 要近年来，随着通信技术以惊人的速度发展，无 线通信更呈 现爆炸性增长， 这种发展趋势将射频技术摆在了重要的位置。而在几乎所有的通信系统的发射机和接收机上都必须借助各种电子线路对携有信息的电信号进行变换和处理。低噪声放大器（LNA ）就是这种对电子信号进行处理和变换的器件之一。由于其低噪声的特性，一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。本文主要介绍了LNA的相关设计方法和理论，通过理论的分析， 结合ADS
2、 对LNA 的噪声性能以及稳定性进行分析和研究，将理论知识与仿真软件结合起来详细描述了11.8GHz至12.2GHz频 段的低噪声放大器的放大原理和 设计 流程。通 过对于晶体管NE3210S-01 的技术文档的分析，本文详细讨论了对于其直流偏置电路的设计，和输入输出匹配的设计流程，并对其中存在的潜在问题， 进行了全面深入的讨论分析。 对用史密斯圆图实现输入输出匹配以及高阻线、扇形线等微波元件的作用进行了深入探讨。描述了对低噪声放大器放大晶体管的选择，以及将理论设计转化到硬件电路的流程。运用Protel将理论的电路转化为实际加工电路图，对硬件电路设计的过程中遇到的问题进行分析，并提出对应的解决
3、办法。腔体运用SolidWorks设计，生成爆炸式工程 图加工，将平面加工工程图转化为3D立体图，更直观的展示出腔体的特性。最后论文对整个设计流程做了简单的总结，并就调试过程中存在的一些问题进行了分析和探讨。关键词：低噪声放大器 稳定性 输入输出匹配网络 史密斯圆图四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制IITHE X-band Low Noise AmplifierMajor: Electronic and Information Engineering(Electronic Information Science and Technology)Student：Peng Fe
4、ng Supervisor：Li LiHuaAbstractIn recent years,communication technology with amazing speed development,and wireless communication more present explosive growth.This development trend will let the technology in the important position.But also in almost all of the transmitter of communication system an
5、d receiver,must recur to transform and processing in the various of electronic circuit and electrical signals which carry informations.Low noise amplifier (LNA) is this kind of equipment on processing and transformation electronic signal,due to its low noise which is the most important characteristi
6、cs.This paper mainly introduces the design method and relevant LNA ADS theory and combining with the noise performance of LNA and stability studies,to analyzes the theoretical knowledge and practical,combine detailed descriptions of the software to 12.2 GHz band GHz 11.8 of low noise amplifier theor
7、etical analysis process and design process,focus on the low noise amplifier bias circuits,analysis stability and input/output matching.With Smith of input and output footnote to realize high impedance matching,and NE3210S-01,the principle of microwave components made a detailed analysis and discussi
8、on.Describes the amplification transistor choice on low noise amplifier,and will design into a practical process.Using the theory of circuit will into the actual processing of actual circuit diagram by Protel.find out the problems in the course of analysis and the corresponding solution.Shell by usi
9、ng SOLIDWORKS design,and generate explosive engineering drawing processing,realized the transition from theory to practice.Final paper was designed for the whole process,and brief summaries of the existing problems to analyzed and discussed.Keywords：Low noise amplifier stability Smith circle diagram
10、四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制III目 录1 导论 11.1 选题目的及意义 .11.2 内容简介 .22 低噪声放大器理论 基础 22.1 微带传输线理论 .22.1.1 特征阻抗 .32.1.2 反射系数 .42.1.3 散射参数 .52.2 史密斯圆图和阻抗匹配 .62.3 微带高阻线与微带扇 形线 .82.4 低噪声放大器的基本参数 .92.4.1 工作频带 .92.4.2 放大器增益 102.4.3 驻波比 102.4.4 噪声系数 103 X 波段的低噪声放大器的设计与仿真 113.1 晶体管的选择 123.2 在 ADS 中设计直流偏置电路 133.3
11、输入输出匹配以及 S 参数的仿真 153.4 版图设计 223.5 使用 SolidWorks 设计腔体 .254 总结 .27参考文献 .30致 谢 .31四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制11 导论随着通信行业的需求逐年的增加，人们对于通信的要求日益严密，追求更高速率，更低噪声，更远距离的通信。对于这些日益增长的需求，各个领域都在进行着技术的创新，以达到市场的需求，而其中低噪声放大器就成为其重中之重。1.1 选题目的及意义在现代微波通讯和射频领域，将弱信号进行放大是通讯电路中普遍存在的电路功能。而在当今的电子领域，半导体技术的迅速发展，微波通讯频段日益紧张，人们将对于
12、低噪声、高性能、高集成度的放大器作为重点的研制对象。可以理解为，接收天线将空气中传输的微弱的电信号连同由于传输过程中所产生并携带的干扰信号转化为能够通过有线传输的电信号。低噪声放大器就是将这种微弱并且带有干扰的信号中属于我们需要的信号提取出来，但是由于长距离的传输，通常这些信号都是非常微弱的，而市面上一般的放大器，由于其结构等的关系，经过他们放大的电信号同时也会叠加上放大器自身产生的干扰即噪声。放大器放大这种弱信号如果再叠加上如此高的噪声信号再同时放大，将会使后续对于信号处理的功能块很难再将有用信号和噪声区分开来。低噪声放大器（LNA ）作为接收机的第一级电路，其目的是对天线接收的信号进行微弱
13、的放大。在放大微弱信号的同时，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。在对信号的接收机中，低噪声放大器由于其低噪声的性能，可以将小信号进行放大的同时尽可能的减少噪声，为后续的放大电路提供一个相对纯净并且有用放大信号，由于这种特殊的性质，低噪声放大器通常位于接收系统的前置放大端 1。这样，整个接收系统的噪声很大程度上就由低噪声放大器决定。较之普通的放大器，低噪声放大器既可以将微弱信号进行放大，为后续电路提供一个良好的信号之外，由于其低噪声的性能，低噪声放大器大大降低了其噪声系数从进而降低了整个系统的噪声系数，使系统的杂波干扰减少，从而很好的提高了系统的灵
14、敏度。可以说低噪声放大器的性能决定着整个接收机的性能，低噪声放大器的参数指标对整个接收机有着决定性影响。因此，要提高接收机的性能必然要提高低噪声放大器的各项参数。目前国内外也正是用这种思路作用在更高性能的各种接收机上，因此研究更高增益，更低噪声系数的低噪声放大器已经成为微波系统的核心技术之一。研究更高性能的低噪声放大器可以从两个方面入手。一方面选择更高放大倍数，更低噪声系数，具有更好性能的晶体管放大器，这就需要更高的半导体技术和工艺；另一方面做好精准的偏置电路和匹配电路，让晶体管工作在最佳放大状态，既不饱和也不失1刘喜明.基于 ADS 的 X 波段低噪声放大器的设计与仿真.中航雷达与电子设备研
15、究院,2008四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制2真，稳定地工作。尽可能的使电路匹配，减少信号通过的损耗、反射等，在提高增益同时减小噪声。当今大部分射频通信和微波领域放大器其核心都是使用晶体管器件进行信号放大，按功能分类可以分为：微波大功率晶体管及微波低噪声晶体管；按结构分类有：双极性晶体管及场效应晶体管，如Si、SiGe BJT、GaAs HBT、GaAs、InP FET、GaAs HEMT等。本文根据设计需要，选择FET（即场效应晶体管 Field Effect Transistor）简称场效应管。根据不同的放大要求、工作频带、噪声系数、回波损耗等选择不同的放大晶体管
16、才能实现电路的最佳性能。1.2 内容简介本文主要研究和讨论低噪声放大器的放大原理，各个部件的功能以及对整个系统的作用。将11.8GHz-12.2GHz频率的信号进行放大处理，原则上达到7dB的放大倍数，噪声系数小于2dB。研究初期以ADS 软件仿真为基础，进行原理图的仿真、调试及优化。后期用Protel生成可交付工厂进行加工的PCB视图。而腔体的设计则使用SolidWorks 制图软件制作。第二章主要论证了低噪声放大器的基本原理，微带线元件的作用。介绍了微波场效应晶体管的基本理论，低噪声放大器的基本性能指标。对低噪声放大器的噪声系数、稳定性分析、增益等性能参数进行了分析。用史密斯圆图进行输入输
17、出匹配的方法，并提出降低噪声的一系列措施。第三章主要讲述了利用ADS射频仿真软件对设定的电路原理图进行仿真、优化、微调等的步骤，通过软件仿真验证理论分析的正确性，并对电路原理图进行相应的调整。详细的阐述了低噪声放大器的设计、制作和调试的流程。结合Protel和SolidWorkes简略地描述了版图制作和腔体制作过程。对后期调试中出现的问题进行分析并提出改进措施。第四章总结整个低噪声放大器的研制过程。就制作出来的产品进行调试，讨论调试过程中出现的问题，并提出解决方法。对理论值和实测值进行比较，讨论之间存在差异的原因，克服措施。2 低噪声放大器理论基础2.1 微带传输线理论微带线是微波集成电路中最
18、常见的平面传输线，它可以用照相印制工艺来加工，并且它很容易同其它无源和有源的微波器件集成，因此本论文将大量使用微带线来实现电路功能。利用微带线本身的分布参数，可以很好的实现集总参数元件的功能，同时还可以更好的实现匹配，滤波等功能。并且微带线是用印制板技术来加工，不需要再通过焊四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制3接，这样也能避免手工焊接出现的一系列诸如：虚焊、漏焊、焊点龟裂、锡珠和锡渣等问题，提高加工效率降低加工难度。利用微带线，高频信号能进行更为高效的传输，同时微带线自身的分布参数能和其它的固件如：电感、电容等构成匹配网络，使信号能很好的和负载进行匹配，减少损耗。2.1.
19、1 特征阻抗微带线是位于接地层上由电解质材料来隔开的印制线。它的厚度、宽度以及电介质的介电常数等参数改变着它的特性阻抗，通过调节微带线的这些参数，就可以很方便地调节其阻抗的大小，长度更是对其呈现感性或者容性有着至关重要的影响。而信号通过微带线产生的传输延时则由介电常数决定，再次本文重点讨论其特性阻抗，并不涉及对传输延时的要求，这里将不做详解。假设微带线的基板厚度为h，相对介电常数为 r，在实际工程中，大多数的介质基片非常薄，所以构成了基板厚度远远小于波长的条件，故微带传输线中传输的场为标准的TEM模 1。因此相速、传播速度和特性阻抗可以由静态或准静态获得，故其特性阻抗可以有如下表示：（2.1.
20、1）（2.1.2）其中：为传输线的特性阻抗；0ZC ：是对应有介质材料的微带线的分布电容值；Ca ：是对应单位长度的微带线将其介质材料换为空气而求得的电容值；：空气中的介电常数；e式中：（2.1.3）假设一段长度为L的传输线如下图示：1喻梦霞、李桂萍.微波固态电路.电子科技大学,2008:39-980a1Z= C1200eaK()0e 00ga0C1=() ,= ,K四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制4 -j2L0+ZV=e反 射 电 压 波入 射 电 压 波图1：微带传输线示意图：为特性阻抗（特征阻抗）0Z由图可知，任意两点之间的电压都是由入射波与反射波电压进行叠加的，
21、所以有下列表达式：（2.1.4）按照无线电波的知识可知，信号的一个波长的相移为 ，所以相移常数 ，电2=2长度为 。=L特征阻抗 一般为实数，但如果传输线是有损耗的则其特征阻抗为复数。对于无损0Z耗的传输线有：， （2.1.5）将（2.1.4）中的 用 来表示则有下式：1V, I2, （2.1.6）（2.1.7）将（2.1.4）式代入(2.1.7)则得到：（2.1.8）而对于四分之一波长微带线，在微波方面有着极为广泛的应用。信号在微带线中传输呈现波状，这就意味着在一根相当长的直微带线上，同个频点的微带线是以波的特征来传输的。这样，在微带线上就出现了对应波长的波峰点，波谷点和波节点。四分之一波长
22、微带线正是利用了这种原理，通过四分之一波长，波的特征将发生性质上的变化。原来的波峰通过四分之一波长转化为波节点，波节点通过四分之一波长转化为波谷点。微带线的性质也发生相应的变化，从终端开路点变为终端短路点，负载阻抗从无穷大变为短路的零。利用这些特性，不同结构的四分之一波长微带线在微波电路中能实现不同变换，很好的配合设计达到设计要求。2.1.2 反射系数 电压反射系数（ ）实际上就是入射电压和反射电压的比值，是评估阻抗匹配好与坏+-j-j112V=eVII2LVZ=I1inIJ-jJ-j201J-jJ-j20I=(e+)(e)IVZ1220=cos+jIinIL0in0Z+jtan=四川大学锦城
23、学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制5的重要参数。电压反射系数一定是小于1的，如：（2.1.9）终端反射系数即L=0，代入（ 2.1.1）式即得到终端反射系数：（2.1,10）电流反射系数刚好与电压反射系数相反。由于传输线的上述特性，所以存在下列几种特列：A：终端短路： LZ=0, ()-1B：终端开路： C：匹配： 0, D：终端为感性： -10j(2tan)ZLjX, )eE：终端为容性：-10j(t)Z=-其中D、E不消耗能量。2.1.3 散射参数不同于低频网络，微波系统由于其工作在微波段，实际电路的尺寸与微波波长差异不大，故微波在微波电路中传输会在传输线上产生分布电容、分布电感
24、等参量，分析微波电路将存在对微波电场和磁场的分析。图2：线性二端网络在微波系统中，信号和能量是两个主要研究的问题。微波系统是分布参数电路，所以主要采用场分析法。简化的场分析法就叫做网络分析法，被广泛的用于微波系统的分析。将实际的微波系统简化为微波网络，把复杂的场问题转化为路问题。图2为线性二端网络，本文就只讨论单级放大网络，对于多级级联的网络则不满足下列所述：表示当2端口匹配时，1端口的电压反射系数；10abS：表示当1端口匹配时，2端口对1端口的反向电压传输系数；120a0()LZ四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制6：表示当2端口匹配时，1端口对2端口的正向电压传输系数
25、；210abS：表示当1端口匹配时，2端口的电压反射系数；20a对于互易网络，有 ；对于对称型网络，则有 ；对于无耗网络，则有12S12S， 。12S122.2 史密斯圆图和阻抗匹配在一般的电路中，众所周知，当电路的负载电阻与电源电阻相等的时候，负载将获得最大功率。阻抗匹配运用的原理与之相似，所谓的阻抗匹配就是将放大器的特性阻抗通过一定的结构使之变为与微带线特性阻抗相等。这样既可以使放大器得到最大功率同时也不会产生衰减，反射和自激等不利于放大的情况。输入输出匹配有两种形式，一种即是前面所描述到得阻抗匹配，是指的输入输出阻抗的共轭匹配。而另一种匹配是指最佳功率的匹配，由于本设计采用的是阻抗共轭匹
26、配，所以只讨论阻抗的匹配过程。对于放大器，带内增益不一定都能实现。而由于反射的存在，意味着放大器内存在着内反馈，可能造成放大器的不稳定，微波电路在某些特定的频率和终端的条件下可能会产生自激振荡，这点对于微波电路非常重要。而是否产生自激振荡则可以通过等效负阻来判断，如果放大器端口存在负阻，则整个放大电路有可能产生自激振荡，也就是或者 。in1out要使晶体管工作在绝对稳定的情况下则必须满足下式：（2.2.1）只有当（2.2.1）式中3个条件都满足的时候，才能保证放大器是工作在绝对稳定的状态。在晶体管处于绝对稳定状态下再进行输入输出的阻抗匹配，或者在反射平面上绘出不稳定区域，并选择和设计能避开不稳
27、定区域的匹配网络。本设计采用史密斯阻抗圆图来进行阻抗匹配。用史密斯圆图来实现阻抗匹配的有两种方法，一种是基于史密斯阻抗圆图来实现阻抗匹配的，而另一种是基于史密斯导纳圆图来实现的阻抗匹配。在史密斯圆图中：(1) 匹配点： ，z=1，SWR=1=0(2) 纯电抗圆、开路点、短路点(3) 纯电阻线(4) 感性与容性半圆221121211212-S-SK=且四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制7(5) r=1圆： 通过匹配点(7) 的相位的标注：周期为半波长，最大相对波长为0.5，相位0 o-180o(8) r值的标注：开路点为、短路点为0，匹配点为1；图3：史密斯阻抗圆图史密斯导
28、纳圆图：（1）阻抗圆图转化为导纳圆图即 ；=-（2）匹配点不变，纯电阻线变为纯电导线；（3）开路点变为短路点；（4）短路点变为开路点；（5）电抗圆变为电纳圆，电阻圆变为电导圆；（6）上半圆表示b0呈容性，下半圆b1，则说明该晶体管在带内处于稳定状态，可继续后续电路的设计；b) 若K1。图8为晶体管在12GHz 的频点下，加上 2V，10mA的直流偏置条件后的性能参数，12GHz的噪声系数为 0.34dB，远远小于设计要求，能够满足后续电路的设计。综上可知，使1郭欢.低噪声放大器的仿真设计.武汉理工大学信息工程学院,2008四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制13用NE321
29、0S01来设计低噪声放大器是能够满足设计指标的，且通过计算得出该晶体管的稳定因子K，在12GHz 处是大于1的，这就说明该晶体管在12GHz的频带内是处于绝对稳定的状态。图8：不同频点的最小噪声系数通过手册可以看出，单级放大足够满足设计需要，故采用单级放大来完成设计。微带电路的电解质材料选择Rogers公司的RO4003（铝基板） 。这种材料的相对介电常数为 =3.380.05，损耗角正切 0.0027。根据制作印制板厂家的工艺要求（不同厂家tan加工工艺不一定相同，本设计所使用的参数是向加工厂家咨询的结果） ，基板的厚度为H=0.3mm。3.2 在 ADS 中设计直流偏置电路在ADS的元件库
30、中找到NE3210S01的元件，发现在ADS自带的元件库中只有晶体管NE3210S01的PH模型而没有其 SP模型。也就是说如果使用 ADS自带的库中的NE3210S01 模型则只能进行直流偏置电路的仿真而不能进行S参数的仿真 1。所以在进行电路原理图设计之前，应首先准备design kit。随即到NEC公司的官方网站下载由NEC公司提供的适配ADS的design kit如图9，图10所示，并且安装。由于厂家给出的元件库文件更能接近器件的真实特性，所以一般设计都选择直接去生产厂家下载安装元件库，使仿真更靠近真实值。1徐兴福.ADS2008 射频电路设计与仿真实例.电子工业出版社,2009:19
31、1-231四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制14图9：NE3210S01的Design KIT图10：NE3210S01的静态工作点根据NE3210S01的芯片手册，可以确定在12GHz的频点下，静态工作点设置为：漏极电压+2V ，栅极-0.4V时， Ids约为10mA，这样晶体管便工作在最佳状态 。电路采用双电源供电，即漏极正电压，源极负电压，分别以正电源和负电源两种电源同时供电。馈电方式选择四分之一波长的高阻线端接70的扇形线，四分之一波长的高阻线用来抑制交流信号对直流电源的影响，70扇形线对高频信号来说，是短路到地，电路中相当于耦合电容，可以滤除高频信号的噪声 。在
32、NE3210SO1晶体管的漏极和源极加上直流偏置电路以及馈线以后如图11所示。 JIN WEI，XU Yong-S heng.BIFET Low Noise Amplifier for Dual Band RF Receiver. Institute of Microelectronics Circuits & System,2000 射频系统的稳定性分析.清华安捷伦微波 EDA 培训中心 ,2006四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制15图11：直流偏置电路由于整个电路大多数的元件都为微带线，所以在ADS中添加微带线元件时需要添加微带线的工作环境。在ADS中，微带线的仿真
33、环境对应为： MSuB（Microstrip Substrate）。由于设计初期已经确定了电解质材料为Rogers公司的铝基板RO4003 ，也就确定了MSuB的大部分参数：介电常数为3.3，损耗角为：0.0027。根据铝基板加工厂商的加工工艺，可以确定：基板厚度为：0.8mm，铜箔厚度为：0.05mm，铜箔的介电常数为：5.88E+7。所以得到MSuB的详细参数，如图 12所示。图12：MSuB参数设置3.3 输入输出匹配以及 S 参数的仿真对于输入输出匹配，ADS自带有计算输入阻抗的元件。考虑到ADS的仿真功能只能从输入和输出端口测试输入阻抗和输出阻抗，所以阻抗匹配电路放于整个放大电路的两
34、端。而为了防止高频电路与直流偏置电路之间的相互影响，所以采用隔直电容来实现隔离直流的方法。在实现输入输出匹配的时候由于高频信号在微带线上会产生相应的寄生参量，会对匹配产生一些不可计算的影响，故本设计将隔离直流的功能用微带线来实现 1。四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制16这种以微带线实现隔直功能的结构可以称为隔直耦合线，它能够直接从物理上断开通路，阻碍直流信号的通过，而由于它的间隙很小，对交流来说影响不大，而四分之一波长的结构还能够滤除一部分噪声，其结构如下图13所示：图13：隔直耦合电容图14：隔直耦合线本设计的工作频段为X波段，是属于超高频，在如此高的频率下，电路中的
35、元件就不1匹配电路设计.清华大学网络教程,2011四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制17能使用集总参数元件，避免因其自身尺寸产生的寄生参量等对设计产生影响。本设计采用微带线的隔直耦合电容对于直流电路相当于直接断路，能够将直流部分隔开，但由于其铜箔间间距相当近，对高频影响很小。四分之一的波长也可以看成一个小型的滤波器，能够滤除一部分带外噪声。且由于隔直耦合电容本身也属于微带线的范畴，可以与微带电路一并加工，加工工艺一致性很好，避免了加工过程中由于手工焊造成的一系列不可预料的因素。基于这些优点本设计采用微带隔直耦合电容来实现隔离直流的功能。加上为了使匹配更好，故将隔直微带线放
36、在放大晶体管源极和漏极两端，将输入输出匹配的微带线放在最外围。图14为添加了微带隔直耦合线电容后的电路原理图。运用ADS工具自带的工具，在toolLineCalc （微带线计算器）中，根据MSuB 中的参数，可以计算出四分之一波长的微带线尺寸，如图15所示。可知四分之一波长的微带线，在铝基板为电解质材料的情况下，以12GHz中心频率特征阻抗为 50的微带线：宽度W=1.866350mm，长度L=3.809440mm。介于加工工艺的限制，本设计只保留小数点后两位。图15：微带节支线计算工具四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制18图16：史密斯圆图上的 1S对于输入输出的匹配，
37、ADS有自带的匹配模块- Smith Chart Matching即史密斯原图匹配模块，通过它可以很快地得到一个匹配的电路模型，要使用Smith Chart Matching匹配电路则首先要利用元件来计算出输入输出阻抗。这里首先讨论输入匹配。ADS中能求出输入阻抗的方法很多，诸如：微带节支线匹配模块、采用微带线直接优化后微调或者用史密斯原图模块匹配后根据微带节支线结构重建模型等，本设计采用的是将 在史密斯圆图中表示出，再标记中心频率12GHz的频1S点，读出该点在史密斯圆图上的阻抗，如图16所示。可以很容易的读出输入阻抗为： ；0(.370.3)inZj对应50的特性阻抗可以知道输入阻抗为：
38、；15.45in将Smith Chart Matching添加到需要匹配的输入端，连接好以后如图16所示。这样Smith Chart Matching就能生成大致的匹配图。打开DesignGuide中的Filter ，选择史密斯圆图计算工具，在负载阻抗文本框中填入之前计算好的输入阻抗。根据匹配线路需要的微带分支选择，直到电路达到匹配即可，如图17所示。图17：输入匹配的Smith Chart Matching四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制19对应于微带电路即为图18所示。由计算工具设计出来的微带线是用电长度表示的，这中描述并不是我们期望的，也不能被大部分加工厂商所识别
39、。所以本设计根据图18的微带节支线结构做进一步处理。设计中由于考虑到加工工艺精度和电路结构，将虚部的匹配线设计为终端开路的节支线，这样既可以避免再设计接地线路，也避免了耦合电容的焊接，减少噪声的产生。图18：输入匹配电路根据TLIN可以知道，匹配线的特性阻抗为 50，其长度为 E，是电长度，所以在转化的时候要将电长度转化为实际的毫米值。电长度到毫米值的转化可以使用ADS自带的微带线计算工具LinCalc。转化后可以看到毫米值的长度LW，这种情况是不允许出现的。前面的设计已经提到W 已经非常的小了， L比W 更小的话就会出现L的长度可能非常小，根本无法加工，或者加工出来也不利于焊接。所以为了避免
40、这些情况，根据微带线的特点，在隔直耦合线之前加上了半个波长的微带线，改变输入阻抗的值，使之从A-jB变为A+jB。重复上述的匹配步骤，得到输入匹配的最终电路结构如图19所示。为了方便焊接，在匹配电路外围加上了四分之一波长的微带线，至此输入匹配完成。四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制20图19：输入匹配电路结构通过 在史密斯圆图上带内曲线可以看出，在12GHz频点，输入阻抗达到匹配。如1S图20所示。对于低噪声放大器最主要的是考虑输入噪声的匹配，所以低噪声是首先考虑的，也就是获得最佳噪声系数。在此基础上再考虑共轭匹配，即输出功率的最大化。所以在设计仿真中，为了达到最佳噪声匹
41、配，共轭匹配会有一点偏差，增益也不一定是最大的。图20：输入匹配后的 1S输出匹配与输入匹配采取同样的方法，即首先用史密斯圆图绘出带内 的曲线，mar2Sk 频点12GHz ，求出输出阻抗。用史密斯圆图匹配工具生成输出匹配的微带结构图。结合生产加工的实际情况调整结构图，使之满足设计要求。在输出匹配的时候，要注意由于输出端口与输入端口相比，存在镜像关系，所以在连接Smith Chart Matchin的时候要注意将输入输出端口对调。在之后的电路原理图中也要注意微带节支线摆放的位置。四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制21图21：匹配以后的原理图原理图确定以后，就可以开始进行原
42、理图的仿真了。根据ADS中用于S 参数仿真的工具，使用S-Prameter Simulation元件来实现对S 参数的仿真，如图22所示。对于设计要求的指标可以使用S 参数仿真工具中的 StabFac，来测量晶体管是否处于稳定状态 1；VSWR 可以测量驻波值；图22：S 参数仿真工具a：S参数曲线 b：稳定因子K曲线1李国华.Ku 波段低噪声放大器的设计与仿真 .宋保军天津通信广播集团有限公司,2003四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制22c：增益曲线 d：驻波曲线e：噪声系数曲线 f：最大增益曲线g：阻抗匹配曲线图23：原理图仿真结果四川大学锦城学院本科毕业论文 X
43、波段的 LNA 的研制23原理图仿真结果如图23所示：可以看出，参数已经基本达到设计指标，阻抗的匹配程度和噪声大小存在着一定的矛盾，要实现输出阻抗的匹配，必然会使输入阻抗失配，反之亦然。这是个相互矛盾，相互制约的情况，所以只有在保证一定的噪声系数的情况下追求较好的增益，这是一个繁复调整的过程。3.4 版图设计ADS实际上具有Layout的功能，但由于加工厂商更偏爱Protel，也就是说如果用ADS直接生成版图文件，有可能会导致加工厂商无法识别其PCB文件而无法加工，或者加工出来的产品与设计值差异很大。对于高频电路，生产精度对电路性能有着很大的影响，一些细微的差别对于低频影响不大，但对于高频电路
44、却是致命的。为了避免这种尺寸上的问题，本设计运用Protel进行原理图的绘制，并送加工，但对ADS本身自带的Layout功能，本设计也做了详细设计。在原理图已经确认的情况下，就可以开始着手PCB板的设计了。运用ADS自带的Layout功能，在版图界面，选择LayoutGenerate/Update layout，即可以得到相应的PCB 版图。在版图设计中，在电路四周大面积覆铜是一种很好的措施。这种大面积的覆铜用于接地，为了使铜箔各个位置的电位一致性更好，本设计将接地铜箔上打上密集的过孔，保证各点接地性良好。考虑到伴随着接地位置所产生的寄生效应对高频电路的影响较大，本设计在晶体管源极与地之间加上
45、接地过孔。在与微带线相连接的地方采用T型接头连接，以获得更精确的仿真模型。信号的输入输出端，为了使焊接方便，加上特征阻抗为50的四分之一波长微带线。由于其为四分之一波长的特征，这段为带线对整个放大器来说是没有任何影响的。综合上述步骤，以紧密排列为原则，本设计作出的PCB版图如图24所示：四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制24图24：ADS Layout的PCB板图用Protel来绘制的PCB板，由于在 Protel工程中并没有相应的原理图，所以在绘制的时候，直接绘制PCB板就行了。图25是使用Protel 来绘制的PCB。不像ADS 能直接转化，Protel软件没有对应的
46、高频微带元件，对于微带节支线，匹配线，耦合微带线，高阻线和扇形线只能自己动手绘制。在绘制过程中，要严格按照原理图的尺寸设计，并且将接地铜箔尽量远离高频线路（实际工程上应大于0.2mm）避免产生寄生参数 。 邓辉.L 波段宽带低噪声小信号放大器的研制.电子科技大学,2007四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制25图25：用Protel绘制的版图绘制版图时还要考虑以后的接头的装配位置等。对于低噪声放大器，由于其自身的特性，工作时电路周围要对各种干扰进行屏蔽，通常的做法是将电路板放入金属屏蔽盒中，这种金属屏蔽盒也就是常用的腔体。对应于腔体的装配，本设计采用将电路板烧结到腔体上，在
47、腔体的侧面留出正负电源接口和射频RF接口，所以本设计不用在电路板上设计安装孔。3.5 使用 SolidWorks 设计腔体对于低噪声放大器来说，金属屏蔽盒是必须的，而对于金属屏蔽盒的设计软件也有很多选择，本设计采用SolidWorks来制作。SolidWorks是用于机械制图的软件，由于其制图过程是3D效果，更直观和立体，所以本设计采用它来设计制作腔体。四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制26图26：腔体的SolidWorks中3D视图当今市面上对于金属腔体的加工工艺比较复杂，都是采用大型机床来加工。微波段器件对于加工精度要求也很高，这就导致了加工成本增加。图26即为腔体加工的3D 视图，图27是腔体的爆炸视图。四川大学锦城学院本科毕业论文 X 波段的 LNA 的研制27图27：腔体的工程图（爆炸视图）由于经费的限制，本设计对腔体加工就只做到绘制腔体机械制图，而并不涉及腔体的加工和装配。4 总结至此，对于X波段的低噪声放大器设计已全部完成。由于设计中已经结合实际工程以及加工工艺，所以在焊接和组装上不存在什么难度。集总参数元件基本都用微带线元件来替代，所以，焊接上非常简单，将选购好的NE3210S-01 焊接上，再在端接电源的地方焊接两个0603的贴片
