S波段两级平衡式低噪声放大器的研究

发布时间：2019-11-11 15:08

【摘要】：无线技术已经成为现代信息交流的重要通道,所以作为现代通信技术的重要成员,发展无线技术至关重要。低噪声放大器作为射频接收系统的前端模块,被广泛应用在移动无线设备、WLAN、雷达系统等多种无线设备中,主要负责将天线接收到的信号增大一定的倍数,并在一定程度上降低其携带的噪声。接收机系统的性能决定了接收信号的优劣程度,其中其灵敏度的主要决定因素就是位于系统前端的低噪声放大器的噪声系数。本文设计了一款集低噪声系数、高增益、低输入输出驻波比的一款两级平衡式低噪声放大器,考虑到无线网标准IEEE802.11可以用于2.4 GHz的ISM频段,将设计的频段定在2.4 GHz~2.48 GHz频段。首先介绍了有源器件和无源器件的射频特性及发展状况,低噪声放大器中晶体管的发展史以及其各项性能指标的基本理论和改善方法。接着详细介绍了两级平衡式低噪声放大器的基本原理,包括3dB定向耦合器的工作原理,平衡式放大器的工作原理和特点。两级平衡式低噪声放大器包括前级的低噪声放大器、后级的驱动放大器以及定向耦合器。接着设计了基于3dB耦合器的两级平衡式低噪声放大器,其中包括各步骤的设计理论及具体工作,用安捷伦公司的ADS软件进行原理图和版图的仿真及优化,并加工实物。然后利用矢量网络分析仪及噪声系数仪对实物的加工结果进行测试,强调了测试中应该注意的问题,并对测试结果展示,各部分的加工测试结果均基本满足设计要求,最后对结果进行分析,针对不理想的结果进行分析,并提出了改进方案。最后对测试结果进行总结,包括整个设计过程及结果存在的问题和解决方案。
【图文】：

平衡式,单级,放大器

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.3 基于 3 dB 定向耦合器的平衡式低噪声放大器传统单级低噪声放大器在设计时比较注重其噪声系数，为了满足噪声系数的设计需求，往往忽略输入输出端的反射系数，使设计的电路与系统失配。为了同时获得较小的噪声系数和较小的输入输出驻波比，可以使用平衡式这一结构，可以在很大程度上解决不能同时满足的问题。如图 2-8 所示，为单级平衡式低噪声放大器的结构原理图，是通过两个完全相同的定向耦合器将两个相同的放大器并联而成的，该结构除了具有上述优点，还对整个电路工作的可靠性有一定提升，在其中一个放大器无法损坏的情况下依然可以保持工作状态。通过耦合器的工作原理，可以计算出输出信号与单个放大器的输出信号相比，大小相等，，相位相差 90°，可以实现在不影响输出信号的情况下改变驻波比的目的。

经过分析对比，最终确定选用 AVAGO 公司的 ATF54143 型号的芯片进行噪声放大器的设计工作。该晶体管主要采用 pHEMT 工艺以获取低噪声系益以及宽带性能，主要应用在 WLAN，WLL/RLL 和 MMDS 等无线领域个引脚，封装为 SOT-343，如图 3-1。值得一提的是这款晶体管采用单电电源只需要通过直流偏置电路给栅极和漏极提供正电压，而耗尽型的晶体要在栅极加负电压，还需要控制栅极和源级的通电顺序，所以，这款晶体源供电特点使得电路的设计简单许多。LNA 型号（GHz）（dB）（dB）（dB）in/out（mA）ATF-54143 0.45-6 0.5 16 ±1 1.5/1.5 60@5VBFP-420 0-10 1.05 20 ±1 1.6/1.6 35@12VAT-41511 0.1-5 1 11 ±1 18/1.8 50@12VEC-2612 2.4-2.8 1.2 24 ±1 1.8/1.8 65@5VEPA060B 1-20 0.8 20 ±1 1.8/1.8 50@12V
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN722.3

【参考文献】