【硕士论文】宽带一体化接收前端技术的研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文宽带一体化接收前端技术的研究姓名：肖勇申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：樊勇20100501摘要摘要随着无线通信的不断发展，宽带射频前端已广泛应用于各种无线通信产品中作为接收前端的关键模块，低噪声放大器对整个系统的各项技术指标起着决定性影响本文首先分析了几种常用接收机的基本原理，介绍了各种结构的特点与主要性能参数然后结合课题指标要求，进行了系统指标的规划及方案的可行性论证使用A d v a n c e dD e s i g nS y s t e m2 0 0 9 对其关键指标进行了仿真验证，阐述了宽带射频前端的设计方法及步骤通过对各个功能模块的设计、制作、选择、调试及系统联合调试，最终在2 0 0 M H z ．3 2 0 0 M H z 的频率范围，采用二次变频技术设计了一种固定中频的超外差接收前端其主要由低噪声放大器、放大器、混频器、滤波器和数控衰减电路等几大功能模块构成构建了一个通用化、标准化、模块化的宽频带射频接收前端，达到了课题预定的指标宽带低噪声放大器是接收机射频前端的核心部件，对系统功能的实现起着非常重要的作用，实现宽频带的匹配是其设计的难点。

本文介绍了低噪声放大器的基础理论和宽带设计方法，运用负反馈技术和有损匹配技术，研制了两种形式的宽带低噪声放大器经过调试，在2 0 0 M H z ．3 2 0 0 M H z 频率范围内，噪声系数F ∈ ∞m 11 m 2I m ll m 2 J f r e q = 6 5 ．O O M H zl f r e q = 7 0 ．0 0 M H zI f r e q = 6 5 ．0 0 M H zl f r e q = 7 0 ．0 0 M H z [ d B r n ( V o u t ) = - 6 ．0 9 “ 7 |I d B r h ( V o u t ) = 1 5 ．1 9 j目B m ( V o u t ) ：_ 6 ．0 97 |I d B r n ( V o u t ) = 1 5 ．1 8 6I m l1 m 21 m 1I m 2 l f r e q = 6 5 ．o O M H zl f r e q = 7 0 ．0 0 M H zl f r e q = 6 5 ．o o M H Zl f r e q = 7 0 ．0 0 M H z | d B m ( v o u t ) = - 6 ．1 2 4I d B m ( V o u t ) = 1 5 ．1 5 2I d B m ( v o u t ) = - 5 ．5 7 QI d B m ( V o u t ) = l5 ．7 3 璺f r e qM H zt r e q ·M —z图3 - 112 0 0 M H z 、I G H z 、2 G H z 、3 ．2 G H z 三阶交调仿真结果在每次的仿真结果显示栏中，分别显示其整个通带内输出频谱中中频信号和三阶交调信号分贝数，其差值即为接收的三阶交调抑制度。

由结果图可见，通道具有良好的三阶交调抑制度，满足抑制要求优于5 0 d B c 的设计指标3 ．3 ．4 谐杂波抑制我们知道，接收机射频前端电路中，混频器的非线性会使输出频谱产生组合干扰，它们是由射频和中频信号的各种线性组合构成的除了上面提到的三阶组合称为三阶交调，其余的称为谐波或杂波，它们同样会对有用信号形成干扰设置输入信号的频率及功率值进行仿真，结果如图所示：电子科技大学硕士学位论文o o> E ∞l m l ⋯．⋯．II r a 2 ．．⋯．K ；j i ——] 『i i i ’1 ‘’’‘—’—]l T r e a - 7 0 ．o o M №Jl f r e q = 6 0 ．0 0 M №l f ' r e ' q = 7 0 ．O O M H zI i 南- - - 2 1o ．O M H zILd B m ( v o u t ) = - 4 4 ．8 0 9[ d B r ：n ( V o u t ) = - 3 6 9 ．5 9 3 1l d B m ( v 苫u t ) = - 4 4 ．8 1 dl j 云南( v o 矗) ：．3 8 3 ．0 7 d_ 一一⋯l 。

一一—j ⋯一一⋯一⋯．一n ：f～⋯『?l ⋯{ f } l ⋯了15 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 ∞f r e q ，M H zl 竺1 ⋯⋯．．l 竺；⋯⋯．．1 而r ———] 同r —————]| f r e a - 7 0 ．o o M H zI 仃e a - 2 1o ．o M H z『i 凶= 7 0 ．O O M H zl i 南= 2 10 ．0 M H zlId B m ( V o u t ) = - 4 4 ．8 4 9I d Br ：n ( V o u t ) = - 3 8 1 ．2 8 1 (1 j 吝斋隔u t ) = - 4 ；．2 6 4J j 茜斋( v o 矗) = ．3 8 0 ．6 0 lf r e q ，M H zf r e q ，M H z图3 ．1 22 0 0 M H z 、1 G H z 、2 G H z 、3 ．2 G H z 谐波平衡法谐杂波仿真结果在仿真结果显示栏中，分别显示其整个通带内输出频谱中频信号和最大干扰谐杂波，其分贝差值即为接收机谐杂波抑制度由结果图可见，通道具有良好的谐杂波抑制度，谐波抑制满足优于4 0 d B c ，杂波抑制满足优于6 0 d B c 的设计指标。

3 2第四章超宽带低噪声放大器第四章超宽带低噪声放大器随着移动通信、卫星通讯等电子通信业的不断发展，射频和微波宽带技术得到了广泛发展和应用低噪声放大器( L N A ) 是射频微波电路接收前端的核心部分，对射频接收系统的性能起着决定性的影响【l5 1 良好的低噪声放大器能大大提高接收机的灵敏度，从而提高通信质量由此可见，对宽带低噪声放大器的研究是非常有意义的然而，低噪声放大器的各项指标，如最小噪声、最大增益和输入、输出驻波系数，难以同时获得最佳值为了兼顾各项指标，就增加了我们设计的难度本文设计的低噪声放大器，工作频率范围为0 ．2 ．3 ．2 G H z ，超宽带是设计的重点和难点本章将从稳定性、宽带匹配及利用A D S 仿真软件进行仿真设计等方面对L N A 的设计方法进行研究4 ．1 宽带低噪声放大器4 ．1 ．1 低噪声放大器的主要技术指标1 ．噪声系数顾名思义，与一般的放大器相比，低噪声放大器是具有较低噪声的放大器放大器中噪声的来源主要有三个：由导体中自由电子的无规则热运动引起的热噪声、由半导体中电流的不规则流动起伏产生的散弹噪声以及由媒质电导率的起伏引起的闪烁噪声( 也叫1 ／f 噪声) 。

一般使用噪声系数进行噪声的计算低噪声放大器噪声系数的定义与前面接收机噪声系数定义一致，也可表示为下式【3 l 】：n ‰+ 黼件‰是晶体管的最小噪声系数；B 为源反射系数；r D 胛为对应最小噪声系数的源反射系数； ‰为等效噪声电阻，表征F 随k 变化的增长速度对多级放大器而言，为推导级联电路噪声系数的计算公式，可以将噪声系数F电子科技大学硕士学位论文表示为【1 5 】【2 6 】：，：呈：—G K T o B + —G K T B - - 1 + 三 一G K T o B瓦( 4 ．2 )式中，P 7 为放大电路总的输出噪声功率；片为尸7 中由输入端电阻的热噪声导致的噪声可用功率；磊为标准室温；r e 为放大电路输入端的等效噪声温度；G 为放大电路的可用功率增益；B 为频带宽度；K 为玻尔兹曼常数用分贝数表示的噪声系数为：，= 1 0 l g ( 1 + 墨T o ) 扭( 4 - 3 )设两级放大电路的可用功率增益分别为G 】，G ：，E l 为其第一级的噪声系数，只为其第二级的噪声系数，电路示意图如下：工'-‘Ⅳ0 l卜G 1G 2巧Et l正2图4 ．1 两级放大器电路示意图根据噪声系数的定义，级联放大电路的噪声系数可以表示为： ，：e u 0 2 ：—P u o l G 2 + —G z K T e E B ：E l + 型( 4 ．4 ) 名眉G 1由式可见，使第一级的噪声系数较小，增益较大，总的噪声系数就越小。

然而，太大的增益容易造成后级电路饱和，因此必须兼顾噪声系数和增益的要求设计的关键是电路的第一级，对噪声系数有决定性影响2 ．输入、输出驻波系数在第三章中，我们简要介绍了接收机中输入、输出驻波系数的重要性，对于低噪声放大器也同样适用射频、微波电路一般采用5 0 f 2 标准阻抗输入、输出驻波系数表征放大器输入端、输出端阻抗与标准阻抗的匹配程度输入、输出电压驻波系数可用V S W R 表示，与反射系数的换算公式如下： v s 帆删= 制㈤5 )v s W R 一= 铡件6 ，第四章超宽带低噪声放大器3 ．功率增益及增益平坦度微波晶体管放大器的功率增益通常有工作功率增益、可用功率增益、转换功率增益等在仿真和实验测量时，通常用S 参数中的$ 2 1 表征增益增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏频带内$ 2 1 最大值与最小值之差即为增益平坦度4 ．工作频带低噪声放大器的工作频带是指在噪声系数、功率增益、增益平坦度以及三阶交调等各项指标都满足要求的情况下，放大器的工作频率范围这里引入相对带宽的计算公式： ‰= 篑芳( 4 ．7 )其中，厶、五分别对应上限和下限频率相对带宽即为信号带宽与中心频率之比。

根据F C C 的定义，信号的相对带宽大于2 0 ％，或绝对带宽不小于5 0 0 M H z ，即可称为超宽带( U W B ) 本文设计的低噪声放大器的工作频带为O ．2 ．3 ．2 G H z ，其相对带宽为1 7 6 ％，满足超宽带的定义5 ．稳定性在射频放大器的设计中，放大器电路的稳定性是非常重要的高增益放大器比较容易自激，从而无法正常工作一般用S 参数来讨论放大器的稳定性指标，将放大电路作为一个已知的双端口网络根据微波网络的理论，晶体管放大器有两种稳定条件：绝对稳定和有条件稳定通常用K - A 和u 参数的方法来判定稳定性【3 2 】：K ：! 二l 兰! ! ! ：二! 兰丝』：±l 全! > 1 2 1 S 1 2 $ 2 1蚓2 I 、I △l 1 ，则有绝对稳定；∥ = - 5 9 7甲＼I 生塑g 三兰! 壁垒：塑壁! 塑 蕊= = ■] 一＼i ⋯⋯一黼dB(S(1rff r e q = 黼3 7 0 00 0 0 5 0 十0 0 }，' ) > = - 4 90 5 r r ——卞< ———一} ＼5 且——————E r ———一¨嘲，G H z图5 ．2 3 窄带一中频滤波器特性曲线3 ．二中频带通滤波器：第二级中频带通滤波器主要用于二混之后谐杂波的抑制，固定中频信号带宽为8 M H z 。

使用D e s i g n e r 软件仿真，选用切比雪夫函数L C 低通滤波器，阶数为6级，仿真的电路拓扑图和理想特性曲线如图5 ．2 4 定做的7 0 M H z 固定中频滤波器满足课题要求，实际指标如下：通带：7 0 ±4 M H z通带插损：≤5 d B阻带抑制：6 0 M H z ≥3 5 d B8 0 M H z ≥3 5 d B带内纹波：≤O ．5 d B燮e B= 一第五章宽带接收前端的实验研究驻波：≤1 ．5m 7、J “口q 一’uV V ¨‘l l L／阳B ( S ( 2 ，1 ) 声．3 ．0 1 1 浒．仇q = 3 瑚．0 0 0 1I §, f a x1 6 + 44 ／’i 胁q ：7 00 0 赫H z ⋯＼窖1 ’⋯ 嬲躞刽麟B ( S ( 1 _ 3 7 , 1 ) ) 蚴= - 2 6 ．0 1 0 8 0 0 l 一藩翟黜 一f 转q ：娜o ．0 0 0 0 。