C-Ku波段超宽带低噪声放大器设计及优化技术研究

发布时间：2020-03-19 03:28

【摘要】：近年来,超宽带无线通信系统因其优良的技术特性得到了快速的发展。它不仅能较好的解决通信容量与速率的问题而且能缓解当今日益紧张的频谱资源问题,在未来通信技术中展现出极大的应用前景。与此同时,超宽带无线通信技术也对射频前端电路的设计提出了一定的挑战,尤其是位于射频电路最前端的低噪声放大器(LNA,Low Noise Amplifier)的设计。为了给出符合指标要求的LNA电路结构,文中首先讨论了低噪声放大器的分析方法,然后有针对性的研究了实现低噪声放大器宽带输入匹配的技术、高频增益补偿的技术和线性度优化的技术等,并给出了理论分析。最终所设计的超宽带低噪声放大器,核心电路采用共射共基结构,以降低米勒效应提升宽带性能;射极负反馈电阻用于矫正双极晶体管的非线性,提高LNA的整体线性度;超宽带的输入匹配采用电阻负反馈加前置无源网络的结构实现;输出负载中采用了并联峰值电感,用以克服极点造成的增益滚降,保持高频增益;放大器核心电路与输出port之间插入无源网络,以实现超宽带的输出匹配和较高的1dB压缩点特性。带隙电路的核心部分采用了传统的电路结构,在此基础上设计了高温段和低温段电流补偿电路,进一步提高了带隙电路输出偏置电流的温度稳定性。针对以上设计的电路结构,文中从输入匹配、增益、噪声和线性度方面做了详细的理论分析与推导,并基于0.18μm SiGe BiCMOS工艺在Cadence环境下进行了电路搭建、前仿真、版图的设计和后仿真过程。经过迭代设计,最终的后仿真给出了良好的结果:在整个C-Ku的频率范围内输入端回波损耗在-15dB~-11dB之间变化,实现了良好的输入匹配;增益在4GHz时为16dB,随频率逐渐升高,到18GHz时达到17.8dB,带内增益波动为1.8dB;通过无源网络的阻抗变换作用,输出端在整个频带内实现了优于-12.5dB的匹配;频段内噪声系数小于3.3dB,达到了较好的噪声水平;同时设计的低噪声放大器还实现了-12dBm@15GHz的输入1dB压缩点,达到了项目指标要求。该LNA工作在3.3V的电源电压下,直流功耗为57mW。文中还给出了Monte Carlo分析和温度扫描。结果表明当存在工艺波动和失配时,低噪声放大器的输入和输出匹配在整个C-Ku频段内都满足小于-10dB的匹配要求,所有曲线在任何频点的增益都不小于15dB,噪声系数优于3.5dB;在10GHz输入信号频率下,对LNA的温度扫描结果表明,在-50~100摄氏度的温度范围内,输入匹配-10.6dB,输出匹配-14.2dB,增益14.7dB,NF4dB,得到了较好的温度特性。
【图文】：

功率谱密度,噪声

8功率谱密度。图2.3 噪声和其功率谱密度功率谱密度概念的最大价值是将系统对噪声的处理过程等效于系统对信号的处理过程。一个输入噪声电压具有图 2.3 所示的功率谱密度，那么经过系统H ( f )的处理，在系统输出端呈现的噪声功率谱密度可以表示为：2( ) ( ) ( )out xS f S f H f(2-8)这不仅量化了系统对噪声的处理过程，还统一了噪声与信号的运算，极大地方便了电路噪声性能的分析。电路呈现噪声的根源在于组成电路的器件存在噪声，在本文设计的超宽带低噪声放大器电路中，噪声贡献最大的三类器件分别为电阻、电感和双极型晶体管，接下来分别进行分析。（1）电阻噪声微观世界的粒子总是在进行着无休止的杂乱无章的运动，在热激发下，电阻中的电子也同样如此，这造成了电阻两端的瞬时电压在 0V 附近做上下波动。将电阻的噪声源等效为一串联电压源

寄生电阻,电感

电阻也会进一步增大电感的等效串联电阻，进而增大电感噪声水平，当电感用于输入端匹配网络时需要特别注意其引入的噪声。图2.4 电感寄生电阻电感产生的噪声可以简单的理解为其寄生电阻产生的热噪声，表示为：2,4n L Lv kTr f (2-10)CircuitblockRsrLL2n ,Rsv2n ,rLv图2.5 电感用作输入端匹配简图为了更充分的理解电感作为输入端匹配器件对噪声系数带来的影响，考虑图 2.5所示电路。其中电感 L 位于电路模块的输入端用于输入匹配，，电阻Lr 为电感的寄生电阻。由于电感寄生电阻产生的噪声源2n ,rLv 与源阻抗产生的噪声源2n ,Rsv 为直接串联，因此可以很容易得到整个电路的噪声因子：2,14n cLs srvNFR kTR (2-11)
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN722.3

【参考文献】