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文献综述（或调研报告）： |
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近年来，高速率和高数据传输率的无线通信与日俱增，窄带通信系统依然不能满足要求，而宽带技术作为一种重要的无线传输技术，能够在较宽的频率范围内以更低的功耗，更高的传输速率更高的安全性进行短距离通信，被认为是最有发展前景的无线电技术之一。此外，该技术作为基础通信技术，在目前兴起的物联网应用中，亦将发挥重大作用。 在多种无线通信系统中，射频接收机位于无线通信系统的前端，其性能和结构直接影响着整个通信系统，决定着整个接收机的信噪比，因此它必须在一定频率范围内实现较好的输入阻抗匹配、提供平坦且合适的增益、引入尽可能低的噪声，并保证有足够的线性范围来容纳可能出现的信号能量变化，足够低的功耗以及足够小的芯片面积。 本课题使用Agilent公司的射频电路软件ADS进行设计一款低噪声放大器，具有较小的噪声系数。 单极射频放大器的组成如下图所示，包括射频晶体管放大电路和输入，输出匹配网络三部分。
图1 单级射频放大器的组成 一个完整的低噪声放大器包络四个部分，即偏置电路、输入匹配电路、放大电路和输出匹配电路。图中 为旁路电容，偏置电路有M3晶体管完成， 组成的镜像电流源实现；输入匹配电路由电感 晶体管的栅源电容 完成；主放大器采用M1和M2组成的共源共栅结构实现，这种结构可以减小密勒效应，减小输出对输入的作用，提高隔离度；输出电路由 及从M2看进去的电容实现。
图2.单端LNA放大电路 低噪声放大器的主要技术指标是噪声系数和增益，这些是研究射频低噪声放大器的关键。本文对此进行了一些研究，主要包括下面几个方面： 1.射频电路的噪声系数 二端口的噪声系数定义为二端口输入端的信噪比与输出端的信噪比：用符号 (或 S/N)表示。放大器噪声系数是指放大器输入端信号噪声功率比 与输出端信号噪声功率比 的比值，以分贝数表示噪声系数： NF=101g(F)。噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，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。噪声系数是低噪声放大器设计中最关键的指标之一。 2.增益 低噪声放大器的增益要适中，太大会使下级混频器输入太大，产生失真。但为了抑制后面各级的噪声对系统的影响，其增益又不能太小。放大器的增益首先与管子跨导有关，跨导直接由工作点的电流决定。其次放大器的增益还与负载有关。低噪声放大器大都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，以此增益G 要下降。噪声最佳匹配情况下的增益成为相关增益。通常，相关增益比最大增益大约低2~4dB。所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。根据经验，一般取值在15~20 dB较为合适。增益平坦度是指功率最大增益与最小增益之差，它用来描述工作频带内功率增益的起伏, 常用最高增益与最小增益之差，即△G(dB)表示。 3.稳定性 在微波电路设计中，放大器的稳定性设计是一个重要的考虑因素。其中，微波电路的稳定性可以用S参数来表示。如果电路的输入或输出端电阻为负电阻，二端口网路就可能发生振荡。振荡发生在输入或输出端反射系数大于1的条件下。(即 gt;1或 gt;1) 在窄带或宽带应用中，通常情况下微波放大器在特定频段都要面临稳定性问题。一般来说，微波放大器的不稳定性主要由以下三个因素引起的。 (1) 晶体管周围的内反馈。 (2) 晶体管周围外部电路所引起的外反馈。 (3) 在工作频段以外频率点的过增益。 从上世纪中期开始，由于平面外延技术的发展，双极晶体管的工作频率跨入微波时代，平面外延晶体管的工作频率达到了1GHz以上，出现了微波双极晶体管及放大器，同时伴随着场效应管的提出，包括金属绝缘栅半导体FET、绝缘场效应管（JFET）、金属场效应管半导体（MESFET）等随之出现，近年来，由于各种通信频段低噪声放大器的发展，各种先进技术都已付诸应用，是接收机的性能大为提高，一般的低噪声放大器的典型设计方法是在单级增益为15dB的参量放大器后面安装一级增益为45dB的场效应晶体管。FET放大器在低噪声领域一直起着关键的作用，并在不断改进，它不仅在各个频段领域有着很佳的噪声温度，而且工作频率的上限还在迅速扩展。FET放大器可用到18-26kHz。AIL实验室已经研制出带宽1kHz，噪声系数小于5dB的器件。用热电制冷到-40℃以下，器件的噪声系数小于4dB。目前FET放大器的进展令人鼓舞。FET放大器在低噪声通信方面起着双重作用，既可作为低噪参量的第二级放大器，还可做噪声要求并不十分低的主放大器。其动态范围大，调幅、调相变换小。
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