X波段场效应管低噪声放大器的设计(2)
4.4 单级放大器 22
4.5 总设计电路图和仿真结果 25
4.6 版图 28
结 论 30
致 谢 31
参考文献32
1 绪论
1.1 研究背景
低噪声放大器常常作为接收系统的前端，主要作用是放大信号，提高系统灵敏度，同时也降低噪声的干扰，是现代雷达、通信、电子对抗等系统中的一个关键组成部件。图1.1为接收系统结构框图：
图1.1 接收系统结构框图
接收机的灵敏度影响着接收机的综合性能，想要使接收机的工作范围变大，我们需要努力提高接收机的灵敏度。在接收机的输出信噪比确定的情况下，接收机的灵敏度指得是其能检测到的最小输入信号功率。下式(1.1)是计算接收机灵敏度的公式：
(1.1)
其中：S为接收机的灵敏度，单位为dBm；
NF为噪声系数，单位为dB；
B为系统信道带宽，单位为Hz；
S/N为输出信噪比，单位为dB。
根据接收系统灵敏度计算公式(1.1)，当该接收系统的信噪比和带宽确定后，噪声系数是影响系统灵敏度的唯一因素。为了提高接收机的性能，我们需要设计性能良好的低噪声放大器。
1.2 晶体管的发展历史
上世纪40年代末，科学家研发制造出了世界上第一只半导体三极管，是一种结型晶体管，因为半导体三极管的体积比较小，重量比较轻，功耗也比较低，被很多人所关注。而早在20世纪50年代就有人提出了场效应管的概念，只是受限于当时的工艺条件，未能成功制造出。但随着制造工艺的发展，到60年代中期，科学家成功制造出场效应管，微波晶体管放大器开始发展到微波频段。进入70年代后，随着对砷化镓(GaAs)的研究有了突破性的进展，成功制造出了砷化镓肖特基势垒栅场效应管(GaAsMESFET)，其可以在40 GHz的频段工作。等到80年代，前后发明出了两种分别由砷化铝镓(AlGaAs) /砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP) /砷化铟镓(InGaAs)组成的异质结双极管，该两种晶体管不仅可以在毫米波频段正常工作，还具有低噪声的优点。时间在流逝，科技的发展也永不停步，随着相继研制出高电子迁移管(HEMT)、异质结双极管(HBT)、异质结场效应管(HFET)和假晶形高电子迁移率晶体管(PHEMT)等晶体管，晶体管器件的工作频率突破到100 GHz以上。随着制造工艺的发展，设计理念的进步，晶体管的性能将会越来越优良，设计出的低噪声放大器也将越来越好。
根据工作原理的不同，我们可以将晶体管分为两大类，即结型晶体管（Junction Transistor）和单极型晶体管，也称场效应晶体管（Field Effect Transistor）。
结型晶体管可分为双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)和异质结双极型晶体管(Hetero Junction Bipolar Transistor，HBT)，主要材料是硅(Si)、砷化镓(GaAs)、锗化硅(SiGe)以及磷化铟(InP)等。因为其成本低，且工作频率相对较宽、功率容量相对较大、噪声系数相对较小，所以被广泛应用在频率较低的频段。
场效应晶体管按照设计结构的不同，可分为结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）和绝缘栅场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)。场效应晶体管由多数载流子参与导电，属于电压控制型半导体器件。
1.3 国内外低噪声放大器的发展现状
1.4 论文的主要内容
本篇论文的主要工作内容是设计一个X波段场效应管低噪声放大器，设计要求是增益不小于30 dB，噪声系数小于2 dB。论文前三章主要用来介绍微波晶体管的发展过程与意义，设计微波低噪声放大器的理论基础以及相关的微波电路知识，阐述其设计原理和阻抗匹配原理。第四章介绍设计X波段场效应管低噪声放大器的过程，仿真结果。
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