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L波段低噪声放大器和微带滤波器的设计

作　者: 王烁
导　师: 阎少林
学　校: 南开大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: LNA 仿真宽带放大器微带滤波器群时延射频前端
分类号: TN713
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着无线通信业务的高速发展,对微波射频电路的性能提出了更高要求。低噪声放大器(LNA)和微带滤波器(Filter)在无线通信系统中扮演着相当重要的角色,本论文重点研究了这两种器件的设计、制作和测试。论文首先介绍了LNA相关基本理论,接着将经典的微波理论与现代先进的微波EDA设计软件相结合,对LNA设计方法进行了详尽的描述。论文重点研究了LNA的直流偏置、稳定性分析、匹配设计、版图制作和调试。采用Agilent公司的仿真软件ADS设计并制作1.7～1.9GHz窄带LNA。测试结果表明,该LNA噪声系数为0.9dB,增益为22dB,带内平坦度为0.5dB,基本达到预定的技术指标,并对此放大器进行了77k温度下的低温测试。本文还分析了漏极并联负反馈在宽带低噪声放大器设计中的作用和原理。结合其他宽带放大器的设计方法,仿真并制作了0.8GHz～2GHz低噪声放大器,测试结果为增益23dB,带内平坦度1.3dB,输入输出匹配好于-11dB。论文还简要介绍了微带滤波器的基本理论,并且将参数提取法和群时延方法相结合,设计了L波段五阶微带滤波器。利用Genesys2006和2.5D全波仿真软件Sonnet得到最终版图和仿真结果。最终完成了滤波器的制作、装配、测试和调试。本文最后简要介绍超导接收机前端的仿真与设计工作,为进一步完善HTS射频接收前端的设计奠定了基础。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章引言  9-13
  第一节课题内容简介  9
    1.1.1 内容简介  9
    1.1.2 课题关键部件  9
  第二节课题研究背景及意义  9-10
  第三节研究动机  10-11
    1.3.1 课题研究动机  10-11
    1.3.2 关键技术  11
  第四节论文结构  11-13
第二章 L波段低噪声放大器设计  13-95
  第一节微波场效应晶体管的基本理论  13-17
    2.1.1 微波场效应晶体管  13-15
    2.1.2 场效应晶体管的小信号模型  15-17
  第二节低噪声放大器的性能指标  17-24
    2.2.1 工作频率和带宽  17
    2.2.2 噪声系数  17-19
    2.2.3 LNA的功率增益  19-22
      2.2.3.1 工作功率增益Gp  20-21
      2.2.3.2 资用功率增益Ga  21
      2.2.3.3 转换功率增益Gt  21-22
    2.2.4 增益平坦度△G  22
    2.2.5 端口驻波比(VSWR)  22
    2.2.6 1dB压缩点输出功率(P1dB)  22-23
    2.2.7 三阶截点(IP3)  23-24
    2.2.8 反向隔离度  24
  第三节微波窄带低噪声放大器设计  24-40
    2.3.1 电路设计步骤  24-26
    2.3.2 器件的选择  26-27
    2.3.3 偏置电路设计  27-31
      2.2.3.1 静态工作点的选择  27-28
      2.2.3.2 几种FET的常见偏置电路  28-31
    2.3.4 放大器的稳定性分析  31-36
      2.3.4.1 振荡的原因  31-33
      2.3.4.2 稳定条件  33
      2.3.4.3 稳定准则  33-35
      2.3.4.4 稳定性的改善方法  35-36
    2.3.5 匹配电路设计  36-40
      2.3.5.1 最小噪声设计  36-37
      2.3.5.2 最大增益设计  37-40
  第四节 1.79GHz～1.91GHz低噪声放大器设计  40-78
    2.4.1 器件的选择及级数确定  40-42
    2.4.2 ATF34143的偏置电路仿真  42-46
      2.4.2.1 自偏置电路的选取和仿真  42-45
      2.4.2.2 偏置电路的去耦合设计  45-46
    2.4.3 ATF34143的稳定设计  46-49
    2.4.4 ATF34143匹配电路设计  49-64
      2.4.4.1 第一级匹配电路设计  49-55
      2.4.4.2 第二级匹配电路设计  55-58
      2.4.4.3 两级匹配电路级联  58-62
      2.4.4.4 封装模型仿真设计  62-64
    2.4.5 版图设计和仿真  64-67
      2.4.5.1 版图绘制  64-66
      2.4.5.2 版图Co-simulation  66-67
    2.4.6 电路制作和调试  67-69
      2.4.6.1 电路制作  67-68
      2.4.6.2 电路调试  68-69
    2.4.7 低噪声放大器的常见故障及解决方法  69
    2.4.8 低噪声放大器的电磁兼容  69-72
      2.4.8.1 接地  69-70
      2.4.8.2 屏蔽  70-72
    2.4.9 测量结果以及误差分析  72-74
    2.4.10 LNA低温下特性的探讨  74-77
    2.4.11 总结  77-78
  第五节宽带放大器设计  78-84
    2.5.1 微波宽带低噪声放大器的理论分析  78-84
      2.5.1.1 方案选择  78-80
      2.5.1.2 负反馈放大器理论与设计  80-84
  第六节 0.8GHz～2GHz宽带放大器设计  84-95
    2.6.1 技术指标  84
    2.6.2 基板材料的选择  84-85
    2.6.3 晶体管的选择和直流偏置电路的设计  85-86
    2.6.4 稳定性分析和设计  86-87
    2.6.5 反馈网络设计  87
    2.6.6 匹配电路具体设计  87-91
    2.6.7 版图设计和制作  91-92
    2.6.8 测试结果及分析  92-95
第三章 L波段微带滤波器的设计  95-113
  第一节滤波器理论与设计方法  95-105
    3.1.1 滤波器的低通原型  95-97
    3.1.2 频率和阻抗变换  97-98
    3.1.3 耦合的基本原理与耦合系数的提取  98-99
    3.1.4 参数提取法  99-101
    3.1.5 单端口群时延设计法  101-105
  第二节发卡型滤波器设计举例  105-113
    3.2.1 查表求值  106
    3.2.2 第一阶端口的群时延计算与仿真  106-107
    3.2.3 谐振器间耦合系数的提取  107-109
    3.2.4 滤波器调节及最终版图  109-111
    3.2.5 测试结果分析  111-113
第四章超导接收机前端的仿真与设计  113-117
  第一节超导接收前端的结构  113-114
  第二节超导接收机前端的仿真与设计  114-116
    4.2.1 接收机射频前端系统级仿真  114-115
    4.2.2 前端系统子电路的具体实现  115-116
  第三节结果与讨论  116-117
第五章总结与展望  117-119
参考文献  119-121
附录  121-132
  附录A ADS软件仿真器简介  121-125
  附录B ADS版图到Protel的转换步骤  125-128
  附录C S2P文件及其使用和输出  128-131
  附录D ADS帮助文档目录  131-132
致谢  132-133
个人简历  133

L波段低噪声放大器和微带滤波器的设计

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