为了正常的体验网站,请在浏览器设置里面开启Javascript功能!

短波无线电台低噪声放大器的设计

2017-09-26 43页 doc 418KB 94阅读

用户头像

is_281650

暂无简介

举报
短波无线电台低噪声放大器的设计短波无线电台低噪声放大器的设计 南京林业大学 本科毕业设计(论文) 题 目:短波无线电台低噪声放大器的 设计 学 院: 专 业: 电子信息工程 学 号: 学生姓名: 指导教师: 职 称: 二O 年 月 日 摘要 低噪声放大器作为无线接收机的第一个有源模块,其主要任务是在满足低噪声系数的前提下把从天线接收的微弱信号予以放大,其性能优劣将会直接影响整个接收系统的灵敏度,因此它是接收系统的关键部件。 首先介绍了低噪声放大器的基本原理,包括噪声理论和放大器的性能指标,然后利用ADS仿真软件进行了仿真,根据仿真结果...
短波无线电台低噪声放大器的设计
短波无线电台低噪声放大器的设计 南京林业大学 本科毕业设计(论文) 目:短波无线电台低噪声放大器的 设计 学 院: 专 业: 电子信息工程 学 号: 学生姓名: 指导教师: 职 称: 二O 年 月 日 摘要 低噪声放大器作为无线接收机的第一个有源模块,其主要任务是在满足低噪声系数的前提下把从天线接收的微弱信号予以放大,其性能优劣将会直接影响整个接收系统的灵敏度,因此它是接收系统的关键部件。 首先介绍了低噪声放大器的基本原理,包括噪声理论和放大器的性能指标,然后利用ADS仿真软件进行了仿真,根据仿真结果确定电路参数和优化电路结构。实测结果表明,该放大器可以实现预期功能,中心频率为30MHz,带宽为3MHz,增益大于15dB,噪声系数小于2dB,测试结果与仿真结果基本吻合。 关键字:短波通信,接收机,低噪声放大器,噪声系数 I ABSTRACT Low-noise amplifier actives as the first module of the wireless receiver, whose main task is to enlarge a weak signal to be received from the antenna on the basis of meeting the low noise figure. The quality of its performance will directly affect the sensitivity of the receiving system. Therefore, it is a key component of the receiving system. It first introduces the basic principles of the low-noise amplifier which includes noise theory and performance index of the amplifier. Then it uses the ADS simulation software for simulation, determines the circuit parameters and optimizes the circuit structure according to the simulation results. The measured results show that the amplifier can achieve the desired functions. The center frequency is 30 MHz, and bandwidth is 3MHz. The gain is greater than 15dB, and the noise figure is less than 2dB. Test results are basically consistent with simulation results. Keywords: HF communication receivers, low noise amplifier, noise figure II 目录 摘要 ........................................................................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................. II 目录 ........................................................................................................................ III 第一章 绪论............................................................................................................. 1 1.1 短波通信简介 ............................................................................................ 1 1.2 低噪声放大器的发展 ................................................................................. 3 1.3 本文的工作 .............................................................................................. 4 第二章 放大器的理论基础 ..................................................................................... 5 2.1 射频电路基础参数 .................................................................................... 5 2.1.1 史密斯图 ......................................................................................... 5 2.1.2 S参数 ............................................................................................ 6 2.1.3 匹配阻抗 ......................................................................................... 8 2.2 低噪声放大器的性能指标 ......................................................................... 8 2.3 噪声理论 .................................................................................................. 10 2.3.1 电阻热噪声 ................................................................................... 10 2.3.2 晶体三极管噪声 ............................................................................ 11 2.3.3 场效应管噪声 ................................................................................ 12 2.3.4 噪声系数 ....................................................................................... 12 2.3.5 级联放大器的噪声系数 ................................................................ 14 2.4 本章小结 .................................................................................................. 15 第三章 放大管选择 ............................................................................................... 16 3.1 晶体管的分类 .......................................................................................... 16 3.1.1 双极晶体管 ................................................................................... 16 3.1.2 异质结双极晶体管 ........................................................................ 16 3.1.3 场效应器件 ................................................................................... 16 3.2 三极管的选择 .......................................................................................... 17 3.3本章小结 ................................................................................................... 17 III 第四章 低噪声放大器设计与仿真 ........................................................................ 18 4.1 短波电台系统介绍 .................................................................................. 18 4.2 低噪声放大器的结构 ............................................................................... 22 4.3 噪声系数的定量 ............................................................................... 23 4.4 ADS仿真与分析 ....................................................................................... 24 4.5 本章小结 .................................................................................................. 30 第五章 低噪声放大器的测试 ................................................................................ 31 5.1 仪表配置与测试拓扑 ............................................................................... 31 5.1.1仪表配置 ........................................................................................ 31 5.1.2 测试拓扑 ....................................................................................... 31 5.2 测试结果 .................................................................................................. 32 5.3 本章小结 .................................................................................................. 33 总结 ........................................................................................................................ 34 致谢 ........................................................................................................................ 35 参考文献 ................................................................................................................ 36 附录1:初样研制实物电路板图 ........................................................................... 37 附录2:终样实物电路板图................................................................................... 38 IV 第一章 绪论 1.1 短波通信简介 通信在人们日常生活中无处不在,并随着社会生产力的发展在不断进步。在古代,人们利用文字、击鼓、烽火等方式传递信息。随着科技的发展,“电”的出现,人们发明了无线电、电话、卫星等新型通信方式,这种通信方式统称为“电信”,其具有迅速、准确、可靠等优点,而且基本不受时间、地点、空间、距离等因素的限制,得到了飞速发展和广泛应用。通信技术的发展,拉近了人们之间的距离,提高了经济生产的效率,根本的改变了人们的生活方式。 通信发展到今天,产生了多种多样的通信方式,按照传输媒质分类,可以分为:有线通信和无线通信。按工作频率分类:长波通信,中波通信,短波通信和微波通信。按调制方式分类:基带传输和频带传输。按通信双方的分工及数据传输方向分类:单工通信,半双工通信和全双工通信。以上的通信方式组成我们生活的通信,广播、遥控器是无线通信和单工通信,手机则为全双工通 信,电视则为有线通信。我们的生活离不开通信,通信使我们的生活交流更加简单快捷。 尽管在当代,新型的通信方式层出不穷,但是短波通信这一相对古老的通信方式仍受到全世界的普遍关注,在移动通信和卫星通信高速发展的今天,短波通信仍然高速发展。短波是在意大利罗马市郊一次火灾中偶然被发现的,一台业余短波无线电台发出求救信号,竟被1500米外丹麦首都哥本哈根的接收机收到,后经研究发现短波更适合远距离传输。短波优越的性能,使之成为了世界各国中、远程通信的主要手段,被广泛地用于军事、政府、外交、气象、等各个部门。在卫星通信出现以前,短波在国际通信、防汛救灾和军事通信等方面发挥了非常重要的作用。 1 图1.1 短波通信示意 短波通信与其他通信方式相比,具有传输距离长、灵活性、设备简单、不易损坏等特点,这些特点也是短波通信至今仍高速发展的关键所在。但是凡事有利必有弊,短波通信频段窄、通信容量小、稳定性差、噪声干扰严重。这些弊端大大的制约了短波通信的发展,而且不能适应人们不断增长的通信需求,特别是对高速数据通信的需求。随着卫星通信的出现,由于卫星通信更好的稳定性,可靠性、通信容量大和通信质量高的优点,许多短波通信的业务被卫星通行所取代,。同时人们对短波通信的投入大大减少,短波通信发展到了前所未有的低谷。 但是,随着时间的发展,技术的进步和深入,人们渐渐发现卫星通信的初始成本太高,而且灵活性很差。卫星通信不能满足所有用户的需求,而且不是所有用户都需要高速的宽带线路。在战争中,卫星通信极为容易受到攻击和破坏,而且不易抵抗敌人的电磁干扰。与此同时,短波通信的高性价比和高实用性、更为重要的是短波通信具有天然的不易被“摧毁”的“中继系统”—电离层,让其重新走进了全世界的视线内,再次成为关注的对象。 短波通信不受有源中继体和网络枢纽制约、自助通信能力强、在偏远地区主要依靠短波通信、成本低、灵活性高的特点,这些特点使得短波通信至今仍高速发展。但是短波通信的弊端没有改变,频段窄、通信容量小、稳定性差、噪声干扰严重。随着人们对短波通信的研究和开发,对于短波通信过程中的一些不足和缺陷,已经找到了改进和解决的方法,同时使得短波通信的性能、通信质量和速度达到了一个新的高度。 2 1.2 低噪声放大器的发展 低噪声放大器是一种按照噪声最佳匹配设计,噪声系数很低的放大器。低噪声发大器一般被用作各种无线电的中频和高频的前置放大器,同时还可以用作高灵敏探测仪器的放大器。在放大接收到的微弱信号时,放大器本省的噪声对信号的干扰可能会很严重,所以需要减小这种噪声,提高输出的信噪比。对于放大器本身对信号产生的干扰,对信噪比的影响程度,用噪声系数F表示,其表示的意义是输出信噪比与输入信噪比比值越接近1,表示其噪声影响越小。现在的低噪声放大器大多数采用晶体管和场效应管,而微波低噪声发达器基本采用变容二极管参数放大器。放大器的噪声系数主要与晶体管的工作状态、直流工作点和信号源的内阻有关。 现在低噪声放大器已经在雷达、遥感遥控和无线电台等许多无线通信系统中得到了广泛的应用。低噪声放大器一般位为接收机的前端,因为前级放大器的噪声系数对于整个系统的影响最大,其增益也会影响到后级电路对噪声的抑制程度,同时其线性度对于系统的线性度和噪声的抑制也有很大影响。低噪声放大器的主要功能就是接收来自空中的微弱的信号进行放大,为后级电路的工作提供一个稳定的、有效的信号。对于低噪声放大器的要求有:稳定性好、噪声系数小、增益高、带宽要满足电路需求等。 能够用于微波射频信号放大的元件很多,如速调管和行波管、参量放大器、量子放大器等许多固体器件,但是这些器件都有着不可弥补的缺陷,如速调管和行波管的噪声很大、参量放大器的带宽比较窄、量子放大器成本过高等。 直到二十上世纪四十年代,体积小、重量轻的微波晶体管问世,其成为了微波固体器件中的一个重要分支。等到了六十年代中期,随着平面外延工艺的发展,使得双极晶体管的工作频率达到了微波频段,可以达到1GHz以上,能够适用于微波波段,出现了相应的放大器。与此同时,半导体和工艺的迅速发展,场效应晶体管开始高速发展,包括金属绝缘栅半导体、结型场效应管、金属半导体场效应管等等,其良好的工作频率也适用于微波波段。 在过去的近二十年里,低噪声的发展有了相当大的进步。早在八十年代初,低噪声放大器的性能已经很出色了,但是那时的放大器体积重量大,功耗也大。后来随着分子束外延和金属有机化合物汽相淀积等技术、电路匹配技术和器件工 3 艺的发展,开发出了许多新的半导体器件,其中具有代表性的有搞电子迁移率晶体管HEMT和异质结双极晶体管HBT。目前的HBT的截止频率达到了200GHz,在微波、低噪声和低功耗等方面拥有很大的优越性。第一个低噪声HEMT由法国Thomson,CSF公司在1981年研制成功,其性能为,在10GHz下,NF为2.3dB,Ga为10.3db。目前,使用HEMT制作的放大器广泛运用到卫星接收、雷达系统等。 1.3 本文的工作 第一章绪论。主要介绍本课题相关内容的背景介绍,短波通信的发展和低噪声放大器的意义和发展现状。 第二章 低噪声放大器的基础理论。此章节介绍了在低噪声放大器设计中重要的参数,和放大器性能指标,还包括噪声理论的分析和二端口网络噪声理论。 第三章 放大管选择。根据本课题低噪声放大器的性能要求,对不同晶体管进行分析,最后选择。 第四章 低噪声放大器的设计。利用ADS软件进行仿真,确定电路结构和器件参数,并完成阻抗匹配和电路优化。 第五章 低噪声放大器的测试。完成电路板焊接后,利用信号发生器,示波器和频谱仪,对电路板进行测试,并与仿真结果对分析。 4 第二章 放大器的理论基础 2.1 射频电路基础参数 2.1.1 史密斯图 史密斯图是用于电机与电子工程学的图表,主要用途是阻抗匹配。其采用双线性变换,将z复平面上的实部r为常数和虚部x为常数,其正交直线变化为正交圆,史密斯图的基本运算公式: (2-1) 其中的Γ代表其反射系数,z为归一负载值,即Z / Z,所以可以用归一LL0 负载来表示反射系数,公式为: ZL1,1nLZ, (2-2) OZ,,, 1LZnLZ,1, OZZnL,归一化的负载阻抗和之间的关系是相对应的,其中是归一负载值,即ZLZOZLZO/。是电路的负载值,是传输线的特性阻抗,通常为50Ω。 史密斯图如图(2.1)所示: 5 图2.1 史密斯图 图(2.1)中的圆形线代表的是电阻抗力的实数值,即电阻值,中间的横线与向上和向下散出的线则代表电阻抗力的虚数值,即由电容或电感所产生的阻力,向上的为正数,向下的为负数。同时图(2.)中最中间的点(1+j0)表示的是一个已匹配的电阻值,即Z,其反射系数为零。 L 2.1.2 S参数 对于一个网络来说,一般用来测量和分析的有Y、Z和S参数,其中Y是导纳参数,Z是阻抗参数,S是散射参数。S参数是建立在入射波和反射波关系基础上的网络参数,以端口的反射信号和从此端口传向另一端口的信号来描述电路网络。S参数可以清晰地描述两端口的入射功率和反射功率之间的关系,也可以用网络分析仪测量得到,之后用网络分析技术来计算。使用S参数可以让测量和计算变得更为简单。 以双端口为例描述描述S参数,其中a1、a2为输入口和输出口的入射波功率,b1、b2为输入口和输出口的反射波功率 6 图2.2 双端口网络图 bSSa111121,,,,,, , (2-3) ,,,,,, 221222bSSa,,,,,, SS1112,,S式中称为双端口网络的散射矩阵,简称为矩阵,其中的各S,,,,,,,2122SS,, 个参数的意义如下 b1S11,:表示2端口匹配,1端口的反射系数 2端匹配a1 b2:表示2端口匹配,1端口到2端口的传输系数 S21,2端匹配a1 b1:表示1端口匹配,2端口到1端口的传输系数 S12,1端匹配a2 b2:表示1端口匹配,2端口的反射系数 S22,1端匹配a2 由式(2-3)分析可知,利用S参数进行端口匹配简单明了,同时也使得其 测试也更为简洁。 7 2.1.3 匹配阻抗 在信号的传输过程中,负载阻抗和信源内阻抗之间有着特定的关系。一般来说,输出阻抗和所连接的负载阻抗之间满足的某种关系,来避免负载对器材的工作状态产生影响。 对于阻抗匹配主要有两种方法,一种为改变阻抗力。通过把电容与负载串联起来,可以增加负载阻抗。串联电感和负载,可以减少负载的阻抗值。把电容和电感接地。另一种是调整传输线,加长负载点和来源点之间传输线。 2.2 低噪声放大器的性能指标 (1)中心频率 中心频率就是滤波器通频带中间的频率,一般在几百KHz到几百MHz。中心频率是电路整体指标确定的,也是放大电路的重要指标,是设计放大电路时选择有源器件和计算回路参数的依据。 在选择放大器所需的晶体管时,根据放大器允许工作频率选择合适的晶体管。同时其工作频率和特征频率f有关,通过分析其小信号模型,通过减小T 偏置电流可以降低晶体管的特征频率。 (2)带宽 在设计电路时,要求电路增益频率响应特性必须有与信号带宽相适应的平坦宽度,这是为了保证频带信号无失真地通过放大电路。当放大电路电压增益频率响应特性为最大值下降3dB时的频率点,其输出功率等于中频区输出功率的一半,这个点称为半功率点。一般把幅频响应的高低两个功率点间的频率差定义为带宽,通常以BW表示。带宽分为绝对带宽和相对带宽,绝对带宽为 BWff,,HL (2-5) 相对带宽的定义是绝对带宽占中心频率的百分比,用RBW表示 ff,BWHLBW,,,,100%100% ff00 (2-6) 8 其中f表示中心频率。 0 (3)噪声系数 电路的一个工作点上,其信号功率和噪声功率的比值,为噪声比,即P/P(或 S/N)。放大器的噪声系数是指放大器输入端和输出端的信号噪声功率的sn 比值。噪声系数与信号源阻抗有关,但与负载阻抗无关。当一个晶体管的的信号源阻抗为最佳阻抗时,那么此时噪声系数达到最小最小值。 (4)增益 对于放大电路的参数指标,增益包括电压增益、电源增益和功率增益。对于低噪声放大器,功率增益通常为信号源与负载为50Ω标准阻抗情况下、的增益,一般用dB表示。其表达式为放大器输出功率与输入功率的比值: Pout (2-7) G, Pin 在设计过程中,低噪声放大器的增益要适中,不能太小,否则不能一直后面的电路噪声对系统的影响;也不能太大,不然会让下级混频器输入太大,产生失真。放大器的增益与跨导和负载有关,所以低噪声放大器基本都是按噪声最佳匹配进行设计的。 (5)稳定性 稳定性是放大器设计时需要考虑的首要条件之一。放大器的负载阻抗和源阻抗需要在一定的范围,否则放大器将不能稳定工作,就算负载阻抗和源阻抗属于标准的阻抗,但是因为温度、湿度等环境的影响,这些阻抗可能会发生变化,使得放大器的参数也会随之变化。器件满足绝对稳定条件的情况下,可以让放大电路的设计变得简单,提高设计效率。同时其增益也会达到最大,所以稳稳定性定十分重要。晶体管的稳定条件是: 222,11221||||||,,,,SSK,,1,12212||||SS,2,1112211,,SSS, (2-8) ,22212211,,SSS, ,, 9 K为稳定性判别系数,只有当上式中条件都满足时,才能保证放大器绝对稳定。 2.3 噪声理论 噪声会对接收的有用信号产生干扰,尤其是在信号较弱的时候,噪声的影响更为严重,有时会造成有用信号淹没在噪声中无法接受。噪声问题是射频电路设计中的首要问题,因为噪声影响了整个通信系统的性能。由器件外部串扰进啦的成为外部噪声,而从器件内部产生的为内部噪声。内噪声源主要分为电阻热噪声、晶体管噪声和场效应管噪声。 2.3.1 电阻热噪声 电阻内部自由电子的热运动产生的噪声为电阻热噪声。自由电子的热运动在导体内形成微弱电流,电流呈杂乱起伏状态称,这称为起伏噪声电流。其通过电阻就就会产生起伏噪声电压。 起伏噪声电压是不规则变化的,瞬间振幅和瞬时相位是随机的,无法通过计算得出其瞬时值。起伏噪声电压的平均值为0,噪声电压是不规则地偏离此平均值而起伏变化的,但起伏噪声电压的均方值是确定的,可以用功率计测量出来[5]。 由理论和实验证明,当温度为T(K)时,阻值为R的电阻所产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度分别为 S(f) = 4kT/R (2-9) I S(f) = 4kTR (2-10) U 式中,k为波耳兹曼常数。 在频带宽度为B内产生的热噪声电流和电的均方根值分别为 2 I= S(f)B (2-11) nI 2 U= S(f)B (2-12) nU 由上式知,一个实际电阻可以分别用噪声电流源与理想电阻并联或噪声电压源与理想电阻的串联表示。 一般来说,理想的电抗元件不会产生噪声,但实际电抗元件是有损耗电 10 阻的,就会产生噪声。对于实际电感的损耗电阻一般不能忽略,但实际电容的损耗电阻一般可以忽略。 2.3.2 晶体三极管噪声 晶体三极管噪声是放大电路内部固有噪声的重要来源,一般分为,热噪声、散弹噪声、分配噪声和闪烁噪声。 (1)热噪声 在晶体管中,电子的不规则热运动产生热噪声,晶体管中发射区、基区、集电区和引线都会产生热噪声,其中主要集中在基区。 (2)散弹噪声 散弹噪声是晶体管噪声的主要来源,其是有单位时间内通过PN结载流子数目的随机起伏而造成的。由于每个载流子都是随机通过PN结注入基区的,即使在电流工作情况下,其数量也是随机的。当大量载流子流过PN结的平均值决定了其直流电流,真实的电流也随之改变。由于发射结正偏,结电流大,而集电结反偏,除了基极的传输电流外,只有反向饱和电流,所以发射结的散弹噪声其主要作用,集电结的噪声可以忽略。 散弹噪声引起的电流起伏均方根与PN结的直流电流成正比,其电流功率频谱密度为 S(f) = 2qI(2-13) Io -19式中,I是通过PN结的平均电流值,q为每个载流子的电荷量,q=1.59×10Co (库伦)。 (3)分配噪声 在晶体管中,发射结的而非平衡少数载流子,其中大部分由集电极收集,形成集电极电流;少数被基极流入的多数载流子复合,形成基极电流。这种分配是随机的,造成集电极电流和基极电流在静态值上起伏不定,从而产生噪声,就是分配噪声。 (2-14) 式中N 是均方根噪声(电压或电流),K 为具体器件有关(并且一般地与偏置也有 11 关)的检验参数,而 n 是一个通常(但并不总是)接近于 1 的指数。 4)闪烁噪声 ( 闪烁噪声是由于半导体材料及制造工艺水平造成表面清洁处理不好而产生的。闪烁噪声主要产生于低频范围,其特点是频谱集中在约1kHz以下的低频范围,且功率谱密度随频率降低而增大。 到目前为止闪烁噪声产生的原因还不确定,其值一般都经验数学表达式表示 (2-15) 式中是噪声电压或者噪声电流均方根,与具体器件有关的经验参数,它也与偏置状态有关,n是一个接近于 1 的常数。而在高频时,闪烁噪声可以忽略。 2.3.3 场效应管噪声 由于场效应管工作不是依靠少数载流子的运动,所以散弹噪声影响很小。但是其噪声由二个来源:沟道中多数不规则热运动会在其漏极电流中产生噪声,此为沟道噪声,是场效应管主要噪声源。还有一个来源为栅极漏电流产生的散弹噪声。 沟道热噪声的的电流功率频谱密度为 2 ()4()SfkTg,Im (2-16) 3 栅极漏电流散弹噪声的电流功率频谱密度为 SfqI()2, (2-17) Ig 式(2-16)中g为场效应管的跨导,式(2-17)中I为栅极漏电流。 mg 2.3.4 噪声系数 在高频电路中,放大器正常工作的条件,除了满足增益、通频带和选择性等,还要对其内部噪声进行处理,一般输出端要满足一定的信噪比。 12 信噪比是放大器输入输出端口的信号功率与噪声功率的比值,通常用分贝 (dB)表示,公式为 S/N = 10lg(P/P) (2-18) sn 式中,P,P分别为信号功率和噪声功率。 sn 放大器的噪声系数N的定义是输入信噪比与输入信噪比之比, F PP/SiniN,10lgF (2-19) PP/Sono 将上述定义推广到所有的线性二端口网络。用分贝表示为 PP/Sini NdB,10lg() (2-20) F PP/Sono从式(2-20)可以得出,N是一个大于等于1的数,N越接近1,该放大器的内部FF噪声性能越好 以上是对线性放大器的分析,对于非线性放大器,其电路会产生信号和 噪声的频率变换,噪声系数不能完全反应系统的噪声性能。 图2.3 放大器噪声系数的等效电路 根据线性放大器的功率增益G P PSo (2-21) G,P PSi可以得出 13 PPPPP/SiniSinonoN,,,F (2-22) PPPPGP/SonoSoniPni 其中,GP为信号源内阻的噪声在放大后,在输出端产生的噪声功率。输出Pni 端的总噪声功率P等于GP和放大器内部噪声在输出端的噪声功率P之和。noPninao则上式可以写为 Pnao1N,,F (2-23) GPPni 2.3.5 级联放大器的噪声系数 图2.4 两级放大器噪声系数等效电路 对于多级放大器的噪声系数,先以二级放大器为例,其噪声系数和功率增益为NF1、NF2和GP1、GP2,假设其同频带相同,根据式(2-22)得 PPGGPGP,,, (2-24) noniPPnaoPnao12122 式中,P和P为两级放大器的内部噪声功率。 nao1nao2 由P = P + GP可以计算出 nonaoPni PNGP,,(1) (2-25) naoFPni1111 PNGP,,(1) (2-26) naoFPni2222 式中,P和P表示两级信号源内阻产生的热噪声功率。 ni1ni2 把式(2-25)(2-26)代入(2-22)中得两级放大器总噪声系数 14 N,1F2NN,,FF1 (2-27) GP1 由此可以对n级放大器就行类推,根据式(2-27)得n级放大器的总噪声系数为 N,1NN,,11FFFn32NN,,,,,....FF1 (2-28) GGGGGG...11212(1)PPPPPPn, 由此可知第一级放大器的噪声系数对整个系统的影响很大。此处电路需要选择适当的增益,抑制后续电路的噪声对整个系统的影响。同时第一级的噪声系数也要尽可能的小,否则会使整个系统的噪声变得很大。对于线性度的影响,最后一级的影响是最大的。第一级放大器的增益增大时可以提高这个系统的灵敏度,但是第一级的增益需要综合考虑,采用最合适的数值。 2.4 本章小结 本章主要介绍了在放大电路设计时一些基本的参数,如史密斯圆、S参数等,同时对本课题电路的性能指标有作了详细的分析。对噪声的分类做了介绍,了解噪声产生的原因和位置。对于不同器件和不同的工作条件,所产生的噪声是不一样的。同时也介绍了在放大器中噪声的指标,描述和计算方法。通过计算得出第一级放大器性能的重要性。为本课题的设计,先建立噪声的概念,为下面设计的进行做好铺垫。 15 第三章 放大管选择 3.1 晶体管的分类 3.1.1 双极晶体管 双极晶体管是由两个背靠背的 PN 结构成的,具有电流放大作用的晶体三极管。大多数双极结型晶体管都是平面型,并且是 NPN 型的半导体材料制成的。双极型晶体管可分为:PNP 型和 NPN 型。双极晶体管可分为三个区,中间的称基区,外侧的分别称发射区和集电区。和场效应晶体管相比,双极型晶体管开关速度快,体积小、耗电少、可靠性高,但输入阻抗小,功耗大。 3.1.2 异质结双极晶体管 异质结双极合晶体管主要是化合物半导体或合金半导体构成,由两种禁带宽度不同的材料分别作为发射区和基区,宽带隙材料为发射区,窄带隙材料为基区。现在的HBT双极型器件主要有GaAs等III-V族化合物基异质结双极型器件,InP基异质结双极型器件和SiGe异质结双极型器件三种。随着研究的不断深入,材料问题和工艺兼容性的进步,使SiGe HBT完成高度集成。 异质结双极合晶体管具有较高的截止频率,较高的最大振荡频率,良好的线性度和高增益,其在微波波段是具有很大的作用。 3.1.3 场效应器件 目前,微波领域使用的场效应器件主要有MESFET和HEMT。GaAs材料的比硅具有更好的高频特性,而且电路损耗小、噪声低、频带宽、功率大,而且抗电磁辐射能力强,工作温度范围宽。MESFET和HEMT的区别在于HEMT是一种垂直结构,有许多层面,每层的材料不相同,利用其作为器件的沟道,这种设计方法可以降低电子的散射作用,提高电子的迁移率。 16 3.2 三极管的选择 为了降低系统噪声系数,提高接收灵敏度,希望第一级放大器噪声系数尽可能小,增益尽可能大,而两者往往产生矛盾。第一级放大器称为低噪声放大器(LNA),它的设计有特殊要求。本次设计采用AT 36408,由于该管具有高增益,噪声小的特点,可以有效地降低了噪声对放大器的影响,保证了高频放大电路的低噪声系数。AT 36408参数如表(3.1)所示 表3.1 9018参数表 3.3本章小结 本站发主要介绍了放大管的三种分类,双极晶体管、异质结双极晶体管和场效应管。并对这个三种管子进行了具体的分析。对设计中关于放大管的选择,分析了选择其的原因,并给出了具体参数。 17 第四章 低噪声放大器设计与仿真 本次设计的低噪声放大器,主要的指标有:增益、带宽、噪声系数等等,其中增益和噪声系数对放大器的影响最大。低噪声放大器的指标如表(4.1)所示 中心频率 带宽 增益 噪声系数 30MHz 3MHz 大于15dB 小于2dB 表4.1 低噪声放大器的性能指标 4.1 短波电台系统介绍 (1)发射机部分 无线数话传输系统发射系统设计如图(4.1)所示 AM 匹配 DGFET 滤波 放大 参考频率 固定分频 鉴相器 环路低通 压控 滤波器 振荡器 FM 固定分频 双模前置 分频器 音频放大器 数据接口 电平调整 图4.1 无线电台系统发射系统设计结构图 18 1)载波信号源:为了获得稳定的载波,并且频率可调以选择频道,在30MHz这个频段,可以采用直接数字频率合成或锁相环频率合成,一般而言,前者精度高,但杂散较大,后者反之。 2)放大与隔离电路:载波信号源的输出信号一般较小,而且容易受外界的影响,因此,需要进行放大和隔离。双栅场效应管拥有两个栅极,其一输入载波信号,其二输入调制信号,即可实现放大和调幅的功能。而且,双栅场效应管端口隔离性能非常好,正好满足了载波信号源隔离的要求。因此,用一个双栅场效应管达到三个功能,电路非常简洁,提高了产品性价比。 3) 匹配滤波:为了抑制杂散,放大器输出需要加滤波器。为了与50欧姆的天线匹配,以获得最大的天线功率输出,放大器输出与天线之间需要加匹配电路。 4) 调制器:在锁相环的VCO变容管实施调频,往往会遇到问题,即,调制信号的频带必须落在锁相环环路低通滤波器的带外。环路低通滤波器的截止频率过低,可以改善相位噪声,但也会恶化其捕捉特性。因此,往往先用滤波器对调制信号截去部分低频成分,再控制变容管实施调频。对语音信号而言,用滤波器截去部分低频成分,对信号质量影响较小,而对数据信号,用滤波器即使截去少量低频成分,对信号质量影响也会很大。 5)语音放大电路:一般选用Motolora公司小功率、低电压的音频功放电路LM386。该电路具有静态功耗低、宽供电电压、宽频、体积小等特点。 6)电平转换电路:一般选用已被广泛使用的Maxim公司电路MAX232。 (2)接收机部分 无线数话传输系统接收系统设计方案如图(4.2)所示 19 带通滤波器 低噪声放大器 固定分频 鉴相器 环路低通 压控 参考频率 PD 滤波器 振荡器 固定分频 双模前置 分频器 音FM 中中频 解调 频 频 放放滤大 大 波 数电AM 据 平 解调 接调 口 整 图4.2 无线数话传输系统接收系统设计方案图示 超外差接收机的中频采用固定滤波器,具有频率选择特性好,灵敏度高的优点,因此,本接收机采用超外差的结构形式。通过两次混频,再进行解调。 1) 天线输入回路:除了发射机发送的信号之外,空间还存在很多干扰信号,因此必须加以抑制,以改善灵敏度。此外,接收天线阻抗与第一级放大器(低噪放)的输入阻抗一般不会匹配,因此必须用匹配电路进行阻抗变换,以让第一级 20 放大器获得最大输入功率。 2) 低噪声放大器:在上一章中已分析过。 3)本地振荡器:由于采用单工方式通信,因此,接收机的本地振荡器和发射机的载波信号发生器(频率合成器)可以共用,通过开关切换VCO(三点式振荡器)谐振回路的电感和电容,实现频段的切换。 4)混频器:以前当高频场效应管工艺不太成熟时,混频电路中的混频管大多使用高频三极管,由于三极管工作时存在的工作噪声比较大,所以如何减少经过三极管混频后所产生的噪声,也是一直困扰技术人员的难题。三极管的伏安特性是指数关系,所以使用三极管进行混频时容易产生的组合频率多。场效应管的伏安特性是平方关系,可以减少组合频率。随着场效应管高频工艺的不断完善,场效应管已被大量地用于高频电路。由于场效应管具有动态范围宽、噪声系数小、 [16]输入阻抗高等优点,目前已经成为混频电路中比较理想的非线性混频器件。 双栅场效应管混频器,具有一个显著的优点,即信号和本振的输入隔离度很高,这样,一者可以使两种信号互不影响,二者可以大大减少本振向天线泄露,因此混频电路的各项指标参数能得到较大的提高。高频信号经匹配电路加在双栅的G1上,本振信号经过匹配电路加在G2上,此种方式的优点是所需本振幅度小,混频增益高。 5)中频滤波器:混频后的输出信号频谱有很多组合频率分量,而且本振泄漏很大,要从中选择中频信号,而且必须保证对邻近信道干扰的抑制,中频滤波器 [16]的选择性指标是第一位的。晶体滤波器的突出优点就是高选择性。 6)中频放大器:第一中频放大器将第一中频信号放大到一定电平,供第一混频使用,第二中频放大器将第二中频信号放大到一定电平,供解调使用。使用运算放大器电路简洁,调试方便。选用运算放大器,其频率特性是首要考虑方面。 7)解调电路:语音的FM解调集成电路选用有代表性的有摩托罗拉公司的MC3361,其工作原理框图如图(4.3)所示 21 图4.3 MC336工作原理框图 为了提高效率,这里采用同步解调,其工作原理框图如图(4.4)所示。 输出 输入 放大 载波 乘法器 低通滤波 判决 提取 图4.4 数据的AM解调电路工作原理框图 8)语音放大电路:一般选用Motolora公司小功率、低电压的音频功放电路LM386。 9)数据判决与电平转换电路:一般选用已被广泛使用的Maxim公司电路MAX232。 4.2 低噪声放大器的结构 所设计的低噪声放大器电路,如图(4.5)所示。这里采用AT 36408,由于该管具有高增益,噪声小的特点,可以有效地降低了噪声对放大器的影响,保证了高频放大电路的低噪声系数。可变的电感和电容用于阻抗匹配。另外,这里加强了电源滤波。 22 图4.5 低噪声放大器原理图 4.3 噪声系数的定量分析 对于噪声系数的计算,首先要建立放大器和信号源连接的电路和等效模型,如图(4.6)和(4.7)所示 图4.6 实际电路图 图4.7 等效模型 23 图(4.7)中信号源的热噪声为: 2EKTRf,,4 (4-1) nts 式(4-1)中K为波耳兹曼常数;T为绝对温度;?f为噪声带宽。 等效输入噪声为: 2222EEIR,, (4-2) nsnnS 等效总输出噪声为: 2222EEIRKTRf,,,,4 (4-3) 0nnnSS 噪声系数为: 222EIRKTRf,,,4nnSSF, (4-4) 4KTRf,S 由式(4-4)中,放大器的噪声越小,则噪声系数F越小,其噪声性能越 EnRR,好,为了使噪声系数F最小,得到最佳源电阻为,所以当时,R,SS0S0In可以达到最佳匹配,噪声系数F最小, EInn1F,,min (4-5) 2KTRf,S 对于单级放大器,它的噪声系数为: 2||,,,Sopt4NNR,,minFFn22 (4-6) (1||)|1|,,,,Sopt 式(4-6)中N是最小噪声系数,是有放大管内部决定的;R是等效噪Fminn ,,,,声电阻;为最佳信号源反射系数。从式(4-6)可知,当时,放大器optSopt可以达到最小噪声。 4.4 ADS仿真与分析 ADS是先进设计系统(Advanced Design System),的简称,安捷伦科技有限公司(Agilent)为产品高效研发生产设计开发的一款EDA软件。在设计过程中, 24 运用ADS仿真,完成电路设计,与分析电路的增益和、噪声和匹配阻抗。 首先建立放大管AT 36408的模型,如图(4.8) 图4.8 DC_BJT原理图 从而可以得到BJT的直流特性曲线如图(4.9)所示 图4.9 直流特性图 分析完BJT的特性后,开始建立初步的电路图,对于输入和输出阻抗,设为50Ohm,如图(4.10)所示 25 图4.10 初步电路图 由此可以得到S(2.1)与频率的关系图,如图(4.11)所示 图4.11 S(2,1)仿真图 由图(4.11)可知,在m2这点时,其频率freq=30MHz,而dB(S(2,1))为24。同时可以看出,在频率低时,dB(S(2,1))的值比较大,但随着频率的提高,其值逐渐减小。 同时分析S(1,1),得到反射系数圆图,如图(4.12)所示 26 图4.12 S(1,1)仿真图 由图(4.12)可以看出,在m2点,其频率freq为30MHz,而S(1,1)的值几乎为零,同时阻抗也很小。S(1,1)越小,表示其反射越少,放大器效果越好。 对于输入阻抗的匹配分析,如图(4.13)所示 图4.13 输入阻抗匹配分析图 图(4.13)中,红色的曲线代表正向反射系数,而蓝色的曲线代表反向反 27 射系数,由曲线图可知,当S(1,1)最小时,S(2,1)最大,此时完成阻抗匹配。同时,把输入输出阻抗匹配电路加入初步电路图中,得到图(4.14) 图4.14 加入输入阻抗匹配原理图 图4.15 添加输入匹配后的仿真图 由图(4.15)可以看出,加入输入匹配后,dB(S(1,1))在30MHz时达到最小值,其值为-15.9,而dB(S(2,1))此时达到最大值。此时与图(4.11)相比,加入输入匹配阻抗后,S(2,1)从原来的24dB增大到现在的34.954dB。 再加入输出阻抗,可以得到图(4.16),经过仿真后得到图(4.17) 28 图4.16 加入输出匹配后的原理图 图4.17 加入输出匹配仿真图 由图(4.17)知,加入输出匹配后,dB(S(2,2))达到最小值,其值为-28.599,而dB(S(2,1))此时达到最大值,其值为27.049。与图4.15相比,噪声减小了,计算噪声系数,如图(4.18)所示 29 图4.18 加入输入输出匹配仿真噪声图 由图(4.18)可以看出,噪声随着频率的增加而增加,也就是说频率越高,放大器的噪声系数越大,其性能越差。而在30MHz时,NF为1.234,满足所规定的性能指标。 4.5 本章小结 本章主要介绍了本次设计的低噪声放大器的性能指标,对电路进行简要的分析。同时进行了ADS仿真,完成电路的阻抗匹配、元件的参数选择和仿真分析。分析结果表明,设计的低噪声放大器基本满足所设定的指标。 30 第五章 低噪声放大器的测试 5.1 仪表配置与测试拓扑 5.1.1仪表配置 仪器 型号 数量 示波器 RIGOL DS 5062MA 1台 频谱仪 R4141L SPETRUM ANALYZER 1台 信号发生器 hp 8656B SIGNAL GENERATOR 1台 表5.1 仪器配置表 5.1.2 测试拓扑 示波器 信号发生 放大电路 器 频谱仪 图5.1 测试拓扑图 利用信号发生器给放大电路提供信号源,同时接示波器,在放大器输出端接 示波器和频谱仪,显示输入和输出的波形图,和输出频谱图。 31 5.2 测试结果 测试结果如表(5.2)和表(5.3)所示 f(HMz) 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5 31.0 31.5 Pi(dBm) -60 -60 -60 -60 -60 -60 -60 Po(dBm) -46.5 -45.9 -45.1 -44.3 -46.3 -47.1 -47.9 GP(dBm) 13.5 14.1 14.9 15.7 13.7 12.9 12.1 表5.2 放大器增益测试结果 f(MHz) 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5 31.0 31.5 Pi(dBm) -60 -60 -60 -60 -60 -60 -60 Ni(dBm) -78.1 -78.6 -79.3 -80.1 -80.9 -81.6 -82.1 SN=Pi/Ni 0.7682 0.7634 0.7566 0.7491 0.7417 0.7353 0.7381 Po -46.5 -45.9 -45.1 -44.3 -46.3 -47.1 -47.9 No -64.2 -65.6 -67.4 -69.2 -72.4 -75.3 -78.1 SN=Po/No 0.7242 0.6996 0.6691 0.6402 0.6295 0.6125 0.5934 N 1.0804 1.1002 1.1307 1.1501 1.1598 1.1755 1.2034 F 表5.3 放大器噪声系数测试结果 图5.4 低噪声放大器输入输出波形 32 在表(5.2)和表(5.3)中可以看,在30MHz时,放大器的增益为15.7dB,而噪声系数为1.1501dB,和理论仿真结果有所出入,可能由于天气温度,电路板焊接和电阻电容等无源器件本身的误差等原因造成的,但是其性能满足规定的指标,并与仿真结果相似。 5.3 本章小结 本章主要介绍了低噪声放大器的测试所用的仪表配置,和测试拓扑图。之后,对完成的硬件的进行了测试,并了数值,从数值中可以看出,设计的低噪声放大器满足性能指标。 33 总结 低噪声发大器一般被用作各种无线电的中频和高频的前置放大器,是无线收发机的关键模块,其功能是将接收的微弱信号进行放大并且不能引入过多的噪声,还有线性度要尽可能高。通过阅读大量相关资料,通过对放大器和噪声系数的分析,设计了一个基于短波无线电台的低噪声放大器。 本文首先对LNA的基本参数进行了解释和分析,为下面更好的理解和设计低噪声放大器做铺垫。本次设计的低噪声放大器是基于短波无线电台的,所以对于射频电路的相关参数如,史密斯图,稳定性等都进行了分析。对于低噪声放大器设计过程中所运用到的最为关键的理论,噪声理论进行了详细的介绍和分析。对于放大管的选择,也进行了相关分析,选择适合本次设计的放大管。之后,进行ADS仿真,完成低噪声放大器电路结构、阻抗匹配和电路优化,并完成硬件焊接,测试后达到了预期的指标。 在低噪声放大器设计过程中,放大器的指标基本满足期望要求,但发现了有其他许多方面可以进行进一步的研究,由于本人水品有限,没有做进一步研究。但是在低噪声放大器的分析设计和硬件方面,获得了许多课本之外的经验。课本的知识,是对我们研究的理论支持,但是在具体的设计中,许多问题不是书本可以回答的。在本次课题研究的过程中,不仅仅获得了电路设计和通信方面的设计经验,同时对以后工作和生活的态度,也获得不小的改观。 34 致谢 大学四年的学习生活即将结束,在论文即将完成之际,希望通这段文字对曾经指导过我的老师和帮助过我的同学表达深深的谢意~ 首先要特别感谢我的导师赵明忠教授。赵老师为我们提供了一个自主性强、良好的学习平台和学习氛围,而且在论文撰写的过程中给予了我很大的帮助,从论文的选题、开题报告以及正文的撰写都是在赵老师的耐心指导下完成的。他严谨求实的治学态度,大胆创新的思想指导,兢兢业业的工作作风和宽以待人的高尚人格,不仅在本次论文撰写上给予了我很大的帮助,而且对我以后步入社会也产生重要的影响。赵老师渊博的知识,敏锐的思维和大量的实际经验给了我很大的启发,也深深感染着我,为我今后的学习,生活和工作树立良好的榜样。在此谨向赵老师表示衷心的感谢和崇高的敬意~ 同时感谢本次毕业设计小组的秦伟、李磊、曹国玺、王杰、葛家宝、孙兵、冯文静和沈洁等同学。感谢他们在本次课题研究过程中,耐心积极的在生活和学生给予帮助。遇到设计中的问题时,大家积极组织讨论,再次感谢大家对我的帮助。 感谢实验室各位师兄师弟在学习和生活中对我的指导和鼓励。 特别感谢我的父母,在我十几年的求学过程中,给予我的理解和支持,是我的最大的鼓励。 同时感谢各位专家和学者为评阅本文付出辛勤的劳动~ 35 参考文献 [1] 赵凤伟 等.浅谈短波通信与应急通信体系[J]. 《信息技术与信息化》. 2010. [2] 樊昌信等 编著,通信原理.北京:国防大学出版社,2005. [3] 陈晓玲 等.阻抗匹配的原理与应用[J]. 《硅谷》, 2008. [4] 周霖. DSP通信工程技术应用[M]. 北京: 国防工业出版社,2003. [5] 钟杨斌.基站覆盖延伸系统在无线网络覆盖优化中的应用研究[D].北京邮电大学,2008. [6] 刘焱 等.OKI(900)型手机信号发射电路中鉴相器的噪声仿真[J].《电子工程师》,2001. [7] 李斐. 宽带射频接收机前端低噪声放大器设计[D].北京交通大学,2010. [8] Texas Instruments.TMSVC5402 Datasheet[M]. 2001. [9] Texas Instruments. TLV320AIC23B Datasheet [M]. 2000. [10] Texas Instruments. TPS767D301 Datasheet[M]. 2000. [11] Cypress.SST VF400 Datasheet [M]. 2000. [12] Cypress. CY7C1021 Datasheet [M]. 2000. [13] 清源科技.TMS320C54x DSP硬件开发教程 [M]. 北京:机械工业出版社,2002. [14] 郑红, 吴冠. TMS320C54x DSP应用系统设计[M]. 北京:航空航天大学出版社, 2003. [15] 李冠男.X波段高精度单片五位数字衰减器的研究[D].南京理工大 学,2008. [16] 黄正瑾等. CPLD系统设计技术入门与应用.北京:电子工业出版社,2003. [17] 宋万杰,罗丰等.CPLD技术及其应用.西安:西安电子科技大学出版社,1999. [18] 侯伯亨,VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计.西安:西安电子科技大学出版社,1997. [19] 赵明忠 编著,DSP应用技术,西安:西安电子科技大学出版社,2004. [20] TI技术讲座. 一套数字音频采集、播放和传输系统的实现,2003. 36 附录1:初样研制实物电路板图 低噪声放大器初样研制实物电路板图如图(附1.1)所示 图附1.1 低噪声放大器初样研制实物电路板图 低噪声放大器的设计原理图如图(附1.2)所示 图附1.2 低噪声放大器的设计原理图 37 附录2:终样实物电路板图 电台接收系统终样实物电路板图如图(附2.1)所示 图附2.1 电台接收系统终样实物电路板图 38
/
本文档为【短波无线电台低噪声放大器的设计】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑, 图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。 本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。 网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
热门搜索

历史搜索

    清空历史搜索