微波/毫米波放大器原理與設計北京理工大學電子工程系孫厚軍主要內容一、低噪聲放大器的主要技術指標二、低噪聲放大器的噪聲特性三、微波晶體管放大器的穩定性四、微帶線混合集成放大器基本電路五、低噪聲放大器特性測試六、低噪聲放大器設計舉例七、功率放大器的主要技術指標八、微波/毫米波單片放大器一、低噪聲放大器的主要技術指標噪聲系數與噪聲溫度功率增益、相關增益與增益平坦度工作頻帶動態范圍端口駐波比和反射損耗三級交調系數與1dB壓縮點1、1噪聲系數與噪聲溫度(1)任意二端口微波部件的噪聲系數可定義為式中 Si為輸入資用信號功率

Ni為輸入資用噪聲功率

So為輸出資用信號功率

No為輸出資用噪聲功率1、1噪聲系數與噪聲溫度(2)噪聲系數的物理意義： 信號通過放大器或其它微波二端口器件之后，由于器件產生噪聲，導致信噪比變壞，信噪比下降的倍數就是噪聲系數1、1噪聲系數與噪聲溫度(3)若二端口器件為放大器，則噪聲系數的定義可改寫為：

Ga為放大器的資用功率增益1、1噪聲系數與噪聲溫度(4)噪聲系數的另一定義實際上，二端口器件的輸出端所呈現的噪聲可分為兩部分：由系統的外部噪聲造成的部分 為NinGa系統的內部產生的，如熱噪聲 為Na則噪聲系數可定義為1、1噪聲系數與噪聲溫度(5)噪聲溫度的概念在一定的條件下，噪聲功率可用溫度來表示，我們稱之為噪聲溫度。放大器自身產生的噪聲也可以等效為一個噪聲溫度Te。Nin=KT0B，Nout=K(T0+Te)Ga用噪聲溫度的定義的噪聲系數1、1噪聲系數與噪聲溫度(6)1、1噪聲系數與噪聲溫度(7)1、2功率增益、相關增益

與增益平坦度(1)功率增益的定義P1代表信源的資用功率,P2代表50歐姆負載所能獲得的功率1、2功率增益、相關增益

與增益平坦度(2)相關增益的定義噪聲最佳匹配情況下的增益稱之為相關增益.通常情況下,相關增益比功率增益要低2-4dB.1、2功率增益、相關增益

與增益平坦度(3)級聯情況下的噪聲系數與功率增益的關系F為級聯后的噪聲系數F1,F2,F3……,Fn分別為第1,2,3…….n級放大器的噪聲系數Ga1,Ga2,Ga3……,Gan分別為第1,2,3…….n級放大器的噪聲系數1、2功率增益、相關增益

與增益平坦度(4)增益平坦度的定義增益平坦度是指在工作頻帶內最大增益與最小增益之差。在多路通信的情況下，在前端對全部信道信號進行放大，后接終端機進行分路，此時要求每個信道的增益起伏不能太大。1、3動態范圍(1)動態范圍低噪聲放大器輸入信號所允許的最小功率和最大功率的范圍。動態范圍的下限取決于放大器的噪聲系數：為微波系統要求的最小信噪比1、3動態范圍(2)動態范圍的上限有時定義為放大器輸出功率呈現1dB壓縮點時的輸入功率;嚴格定義為放大器非線性特性到達指定三級交調系數時的輸入功率值1、3動態范圍(3)例:若放大器的噪聲系數是1.2dB，輸出的1dB壓縮點為10dBm，信號帶寬為40MHz，要求的信噪比為10。則該放大器的動態范圍的下限為-81dBm，上限為10dBm，整個動態范圍為91dB。1、4三級交調系數與1dB壓縮點二、低噪聲放大器的噪聲特性2、1最佳信源導納與噪聲匹配(1)放大器增益最大的條件或2、1最佳信源導納與噪聲匹配(2)放大器的噪聲系數最低時,存在失配現象,物理意義如下在本征FET的柵極端口和漏極端口存在柵極感應噪聲源和漏極噪聲源,這兩個噪聲源是相關的,若FET的輸入口存在一定的失配,可以調整柵極感應噪聲與漏極噪聲之間的相位關系,從而造成噪聲系數的下降.2、1最佳信源導納與噪聲匹配(3)為獲得放大器的最佳噪聲系數,從FET的輸入口向信源看去的反射系數存在一個最佳值.即即放大器具有最小噪聲系數2、1最佳信源導納與噪聲匹配(4)2、1最佳信源導納與噪聲匹配(5)一般情況下,給出四個微波管的等效噪聲參數2、1最佳信源導納與噪聲匹配(6)有時給出微波管的最佳源導納Yopt2、2等噪聲源要維持一個固定的噪聲系數,s在Smith圓圖上的軌跡為一個圓,稱之為等噪聲圓利用等噪聲圓可以直觀地了解放大器的噪聲變化規律2、2多級放大器的噪聲分配(1)低噪聲放大器前加隔離器2、2多級放大器的噪聲分配(2)低噪聲放大器前加隔離器2、2多級放大器的噪聲分配(3)低噪聲放大器和混頻器級聯2、2多級放大器的噪聲分配(4)低噪聲放大器和混頻器級聯低噪聲放大器的噪聲系數低噪聲放大器的功率增益混頻器的雙邊帶噪聲系數傳輸線和鏡像抑制濾波器的損耗LNA設計舉例LNA設計舉例FREQS11S12S21S22SParametersofN76038aLNA設計舉例LNA設計舉例LNA設計舉例LNA設計舉例INPUTMATCHINGCIRCUITALPHAAA028N1-00ALPHAAA028N1-00HMMC-5040的原理圖HMMC-5040的電路版圖HMMC-5040的主要技術指標TypicalGainandIsolationVSFrequencyOutputPower&GainVSFrequencyCharacteristicsSingledrainandsinglegatesupplyassemblyfortriplerandstandardamplifierapplicationsSeparatefirst-stagegatebiassupplyforanymultiplieroramplifierapplicationDieAttachMethodsBothsolderandepoxymaybeusedforthedieattachofallMMICproductstosubstratesandmetalstructures.Thechoiceofdieattachmethodisinfluencedbythermalconductivityrequirementsandequipmentavailability.SolderDieAttachDieAttachMethodsForSolderdieattach,ThepreferredmaterialisAuSn(Au80%,Sn20%).ExpansionPropertiesandThermalConductivityaretwofactorstobenoticedtoselecttheproperSoldermaterialsTheadvantageofthesolderdieattachisTheexcellentthermalconductivitythatresultinthelowerjunctiontemperatureandimprovedthechipreliability.

OrganicAdhesiveDieAttach(1)DieAttachMethodsASliverfilledconductiveepoxycanbeusefordieattach(e.g.Ablestick84-1).TheadvantageoftheorganicadhesivedieattachisLowTemperatureProcessingeaseofassemblytheabilitytotolerategreaterTCEmismatchOrganicAdhesiveDieAttach(2)DieAttachMethodsThedisadvantageoftheorganicadhesivedieattachisThethermalresistanceofanorganicadhesiveisovertwoordersofmagnitudegreaterthanasolderjointofsimilargeometryThevariationintheadhesivethicknesscandrasticallyincreasethethethermalresistancethepointBondingMethodsThermosonicandthermocompressionaretherecommendedmethodsforelectricallyinterconnectingtoMMICdieBondingMethodsThermosonicBondingWedgeBondingToolBondingMethodsWedgeBondingToolBondin