宁波大学研究生高级射频作业终极版

1宁波大学研究生2014-2015学年第（1）学期期末考试试卷考试科目：高级射频电路课程编号：姓名：许**学号：1411082623阅卷教师：成绩：课程设计(大报告)：要求从下面题中任选一题。1、试设计一个用于FDD-LTE-Advanced系统的高效率、大功率射频功放，带宽大于200MHz，最大功率输出时带内功率起伏小于1分贝，增益不低于15分贝，最大效率不低于60%，输出功率高于50W，中心频率在800MHz、1900MHz、1950MHz、2140MHz、2550MHz和3500MHz中间任选一个。要求给出详细设计过程及仿真优化结果，包括器件选择、器件特性仿真、输入输出阻抗的确定、输入输出匹配电路的设计及其仿真特性、功放电路的整体仿真特性及优化结构、成品率分析和PCB布板图。完成课程项目设计报告，要求报告长度不得少于15页。2、试设计一个用于FDD-LTE-Advanced系统的低噪声放大器，带宽大于200MHz，最大功率输出时带内功率起伏小于1分贝，增益不低于15分贝，噪声系数小于0.8分贝，中心频率在800MHz、1900MHz、1950MHz、2140MHz、2550MHz和3500MHz中间任选一个。要求给出详细设计过程及仿真优化结果，包括器件选择、器件特性仿真、输入输出阻抗的确定、输入输出匹配电路的设计及其仿真特性、放大器电路的整体仿真特性及优化结构、成品率分析和PCB布板图。完成课程项目设计报告，要求报告长度不得少于15页。2射频低噪声放大器的ADS设计1.引言低噪音放大器是一类特殊的电子放大器，主要用于通讯系统中将接收自天线的信号放大，以便于后级的电子设备处理。由于来自天线的信号一般都非常微弱，低噪音放大器一般情况下均位于非常靠近天线的部位，以减小信号通过传输线的损耗。这种“有源天线”的配置广泛应用于全球定位系统（GPS）等微波系统中。这是因为同轴电缆在微波频率范围内损耗很大。正是由于低噪音放大器位于整个接收机紧邻天线的最先一级，它的特性直接影响着整个接收机接受信号的质量。为了确保天线接收的信号能够在接收机的最后一级被正确的恢复，一个好的低噪音放大器需要在放大信号的同时产生尽可能低的噪音以及失真。这两个参数通常使用噪声系数和三阶输入截止点来表征。输入和输出端的阻抗匹配和噪声匹配是实现高增益和低噪声的关键。现代的低噪音放大器不仅要在一个窄带范围内实现阻抗匹配，新的应用（如超宽带技术）的出现也要求其能够在非常宽的频率范围内（典型的频带宽度为3.1-10.6GHz）实现阻抗匹配和噪音匹配。2.低噪声放大器的基本知识低噪声放大器（LNA）的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，减小噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据当今，人们对各种无线通信工具的要求越来越高，如功率辐射要小、作用距离要远、覆盖范围要广等，这对系统的接收灵敏度提出了更高的要求。系统的接收灵敏度：32.1．LNA的特点LNA是射频接收机前端的主要部分，它主要有四个特点。首先，它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在工作频段内应该是稳定的。其次，它所接受的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是一个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接受信号的同时又可能伴随许多强干扰信号输入，因此要求放大器有足够的线型范围，而且增益最好是可调节的。第三，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线滤波器相连，放大器的输入端必须和他们很好的匹配，以达到功率最大传输或者最小的噪声系数，并保证滤波器的性能。第四，应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰。2.2LNA的技术指标低噪声放大器的主要技术指标包括：噪声系数、功率增益、输入输出驻波比、反射系数和动态范围等。2.2.1噪声系数放大器的噪声系数NF定义如下：outoutininSSNSNF//式中：NF为射频/微波器件的噪声系数；Sin,Nin分别为输入端的信号功率和噪声功率；Sout,Nout分别为输出端的信号功率和噪声功率。噪声系数的物理含义是，信号通过放大器后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。通常，噪声系数就是用分贝数表示，此时)lg(10)(NFdBNF对单级放大器而言，其噪声系数的计算公式为：222|1|)||1(||4minoptsoptsRnNFNF其中，NFmin为晶体管最小噪声系数，由放大器的管子决定；Γopt、Rn和Γs分别为获得NFmin时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、晶体管输入端的源反射系数。。由此可见放大器的输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设计，也就是根据所选晶体管的Γopt来进行设计。设计输出匹配电路时采用共轭匹配，以获得放大器较高的功率增益和较好的输出驻波比。对多级放大器而言，其噪声系数的计算公式为：.../1/)1(213121GGNFGNFNFNF）（其中，NFmin为第n级放大器的噪声系数；Gn为第n级放大器的增益。在某些噪声系数要4求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，常用噪声温度来表示：N=KTeB。式中，K：波尔兹曼常数；Te：有效温度，单位为K；B：带宽，单位为HZ。噪声温度与噪声系数的换算关系为：NF=(dB)=10Lg(1+(KteB/KTOB)=10Lg(1+(Te/To)其中，Te为放大器的噪声温度；To=290K；NF为放大器的噪声系数。2.2.2放大器增益在微波设计中，增益通常被定义为传输给负载ZL的平均功率与信号源的最大资用功率之比：SLPPG增益通常在阻性信号源和端接阻性负载的情况下定义，这就表明了信号源的资用功率都提供给了负载。放大器的资用功率经输出口适当匹配提供给终端，并且增益的值通常是在固定的频点上测得的，又由于大多数放大器的增益—频率曲线的不平坦性，因此还必须说明增益的平坦性。根据线型网络输入、输出端阻抗的匹配情况，有三种放大器增益：工作功率增益GP(operatingpowergain)、转换功率增益GT(transducerpowergain)、资用功率增益GA（availablepowergain）。实际功率增益GP:负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率之比。与源阻抗无关，与负载阻抗有关，即实际功率增益GT:负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率之比。与源阻抗无关，与负载阻抗有关，即资用功率增益GA:二端口网络输入资用功率与输出资用功率之比，源端和负载端均共轭匹配。与源阻抗有关，与负载阻抗无关。它是放大器增益的最大潜力:52.2.3放大器的稳定性晶体管放大器电路原理框图如图3.1所示图3.1晶体管放大器电路原理框图放大器必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。这一点对于射频电路是非常重要的，因为射频电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的趋势。考察电压波沿传输线的传输，可以理解这种振荡现象。若传输线终端反射系数Γ01，则反射电压的幅度变大（正反馈）并导致不稳定的现象。反之，若Γ01，将导致反射电压波的幅度变小（负反馈）。当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于1,即Γin1,Γout1时，不管源阻抗和负载阻抗如何，网络都是稳定的，称为绝对稳定；当输入端或输出端的反射系数的模大于1时，网络是不稳定的，称为条件稳定。对条件稳定的放大器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择，而是有一定的范围，否则放大器不能稳定工作。稳定条件：S12=0,绝对稳定。2.2.4输入阻抗匹配低噪声放大器与其信号源的匹配是很重要的。放大器与源的匹配有两种方式：一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配，二是以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共轭匹配。一般来说，现在绝大多数的LNA均采用后一种匹配方法，这样可以避免不匹配而引起LNA向天线的能量反射，同时，力求两种匹配接近。2.2.5端口驻波比和反射损耗6低噪声放大器主要指标是噪声系数，所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的，其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态，因此驻波比不会很好。此外，由于微波场效应晶体或双极性晶体管，其增益特性大体上都是按每倍频程以6dB规律随频率升高而下降，为了获得工作频带内平坦增益特性，在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下，只能采用低频段失配的方法来压低增益，以保持带内增益平坦，因此端口驻波比必然是随着频率降低而升高。3、低噪声放大器设计仿真及优化3.1设计要求与目标①试设计一个中心频率在2140MHz用于LTE-Advanced系统的低噪声放大器②带宽大于200MHz③最大功率输出时带内功率起伏小于1分贝④增益不低于15分贝⑤噪声系数小于0.8分贝低噪声放大器的设计大致流程图如下：3.2仿真设计本实例采用的是Avago公司（原Agilent公司半导体部）的高电子迁移率晶体管ATF54143芯片，该芯片具有噪声低，增益高的特点。我们在这就选择这个芯片。3.2.1直流分析设计低噪声放大器的第一步是确定晶体管的直流工作点。设计前我们需要设置DC_FET控件的参数7图3-1ATF55143的电气性能最大值，再对芯片ATF54143进行直流扫描，图3-1为完整DC_FET_T图在扫描电路中可以看出ATF54143的G引脚和D引脚分别连接场效应曲线测量仪的门和沟道这两个引脚上，然后进行扫描得出的它的直流特性图如图3-2所示。图3-2完整DC_FET_T直流扫描电路8图3-3ATF54143直流特性图从上图中可以看到，在2.14MHZ时，当Vds=3V且Ids=20mA时，噪声Fmin接近最小值，此时，对应于增益大约等于17.5大于15，满足设计要求，那么我们就设晶体管的直流工作点就设为Vds=3V，Ids=20mA。3.2.2偏置电路的设计集成电路的偏置相当于给集成电路提供控制电源，再则为了使小信号电压得到不失真的放大，这里需要设计偏置电路，完成后的偏置电路原理图如图3-4所示，图3-4偏置电路原理图填入相应的电流，生成的偏置子电路如图3-5所示。9图3-5模板生成偏置子电路从图中可以看出，R2和R4的电阻值都不是常规标称值，它们仅是理论计算的结果。后面会用相近的常规标称值电阻代替。3.2.3稳定性分析把偏置电路直接接上ATF54143芯片的管脚，该电路是不稳定的所以必须添加稳定性和增益控件。另外，放大器的直流和交流通路之间要添加射频扼流电路，它实际上是一个无源低通电路，使直流偏置信号（低频信号）能传输到晶体管引脚，而晶体管的射频信号（频率很高）不要进入直流通路，实际中一般是一个电感，有时也会加一个旁路电容接地，在这里先用【DC_Feed】扼流电感代替。同时，直流偏置信号不能传到两端的Term，需要加隔直电容，这里先用【DC_Block】隔直电容代替。图3-6为加入加入理想直流扼流和射频扼流的原理图。图3-5加入理想直流扼流和射频扼流的原理图点击仿真图标进行仿真，得仿真结果，仿真结果图如图3-7所示。10图3-7最大增益和稳定系数K的曲线从仿真结果图可以看出,在2.14GHz时,最大增益20.626dB,稳定系数K=0.8341。由晶体管放大器的理论知识可知，只有稳定系数K1,放大器电路才会稳定。为了使系统稳定，最常用的方法就是添加负反馈，方法是在晶体管ATF54143的两个源级添加小电感，晶体管添加负反馈后的原理图如图3-8所示。图3-8晶体管添加负反馈后的原理图11图3-9晶体管添加负反馈后仿真结果添加负反馈和优化后进行仿真，仿真结果如图3-9所示，从仿真图中可以看出最大增益为17.954，稳定因子K=1.0011,系统是稳定的。选用MUTATA的电容和电感替代理想的DC_Feed和DC_Block仿真结果如图3-11所示图3-10选用MUTATA的电容和电感替代理想的DC_Feed12图3-11加入MuRata后的仿真结果从上图可以看出，最后发现最大增益、稳定系数和噪声系数符合设计要求。