一種基于場效應(yīng)管的低噪聲源的電路設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波射頻電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于場效應(yīng)管的低噪聲源的電 路設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 場效應(yīng)管，是一種電壓控制型單極型晶體管，具有輸入電阻高（107~1015Ω)、高 增益、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，場效應(yīng)管現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競爭 者。一直以來，對場效應(yīng)管的應(yīng)用方式主要集中于利用其高增益特征設(shè)計(jì)放大器。具體表 現(xiàn)為，以源極作為公共端、以柵極作為輸入級、以漏極作為輸出級，利用場效應(yīng)管的高增益， 將柵極輸入的信號經(jīng)放大后自漏極輸出。整個(gè)過程中，信號流方向?yàn)闁艠O入，漏極出。根據(jù) 上述原理，場效應(yīng)管已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種類型的放大器中，這種應(yīng)用方式采用正向信號流， 輸入信號經(jīng)過場效應(yīng)管后以10倍左右放大，在獲得大功率的同時(shí)也同步放大了噪聲，不利 于低噪聲輸出，即著眼于場效應(yīng)管的高增益特性，而把其低噪聲特性作為次要考慮，這其實(shí) 嚴(yán)重限制了場效應(yīng)管的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于，為解決現(xiàn)有技術(shù)中場效應(yīng)管應(yīng)用的局限性問題，本發(fā)明提出 了一種基于場效應(yīng)管的低噪聲源的電路設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明著眼點(diǎn)在于利用場效應(yīng)管的另一 特征，即低噪聲系數(shù)。作為目前噪聲系數(shù)最小的有源器件，某些場效應(yīng)管有低至〇. 4dB的超 低噪聲系數(shù)，其對應(yīng)的噪聲溫度低于30K。目前，在微波輻射測量等領(lǐng)域，低于290K的噪聲 參考點(diǎn)的獲得是重要問題，本發(fā)明從低噪聲系數(shù)入手，在場效應(yīng)管的漏極端接終端負(fù)載，而 從場效應(yīng)管的柵極獲得輸出信號。使得信號流方向?yàn)槁O入柵極出，與傳統(tǒng)的放大器應(yīng)用 方式完全相反。
[0004] 此方法完全專注于場效應(yīng)管的低噪聲特性，避開了場效應(yīng)管放大功能，因而可以 在柵極端獲得極低的噪聲功率。基于此種技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出以場效應(yīng)管為核心的新型低噪 聲源，可用于噪聲測量的冷負(fù)載、微波輻射計(jì)的參考負(fù)載等器件，對微波輻射測量、微波噪 聲基準(zhǔn)、射電天文均具有重要意義。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種基于場效應(yīng)管的低噪聲源的電路設(shè)計(jì)方法， 包括：
[0006] 步驟1)將場效應(yīng)管的漏極接終端負(fù)載，并從場效應(yīng)管的柵極獲得輸出信號至外 部系統(tǒng)，其柵極向系統(tǒng)方向入射的噪聲溫度表示為：
[0007] TSil=T.+t^d-lrs|2)+Ta)G21|rL|2+T2(l-|rL|2)]G12 [K]
[0008] 其中，是與場效應(yīng)管輸出端相連的系統(tǒng)的溫度，T2為終端負(fù)載溫度，G12和G21是 由場效應(yīng)管S參數(shù)計(jì)算得到的功率增益，Γ#ΡΓ^>別表示場效應(yīng)管的柵極反射系數(shù)和漏 極反射系數(shù)，K表示溫度量單位開爾文；
[0009] 步驟2)根據(jù)噪聲溫度的需求和電源模塊的電壓輸出值，選擇場效應(yīng)管的偏置點(diǎn)， 并查詢場效應(yīng)管在該偏置下的散射參數(shù)和噪聲參數(shù)，然后將得到的場效應(yīng)管電路模型代入 ADS微波電路仿真軟件中進(jìn)行仿真；
[0010] 步驟3)根據(jù)Γιη=ΓJ的輸入功率匹配條件，場效應(yīng)管輸出端口反射系數(shù)計(jì)算 公式：
[0012] 計(jì)算獲得Γ\，并通過調(diào)節(jié)源電感，直至|?！惯_(dá)到最小值，其中Sn、S12、S21、S22表 示S參數(shù)矩陣的四個(gè)參數(shù)，Γιη表示自場效應(yīng)管柵極看向噪聲源輸出端的反射系數(shù)，Γ#， 表示非匹配條件下的最佳噪聲反射系數(shù)；
[0013] 步驟4)設(shè)計(jì)漏極匹配網(wǎng)絡(luò)，以滿足步驟3)中的|?！惯_(dá)到最小值；
[0014]步驟5)設(shè)計(jì)柵極匹配網(wǎng)絡(luò)，使得rs=Γ_，「_表示在終端匹配條件下的最佳 噪聲反射系數(shù)。
[0015] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟4)中設(shè)計(jì)漏極匹配網(wǎng)絡(luò)包括：終端負(fù)載選 取500hm或者750hm的阻性負(fù)載，所述場效應(yīng)管的漏極阻抗采用復(fù)數(shù)形式的電阻電抗結(jié)合 型，采用T型匹配網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)不同的工程需要采用分立元件或微帶線方式進(jìn)行匹配。
[0016] 經(jīng)過以上方法的設(shè)計(jì)步驟，所得電路在場效應(yīng)管柵極以TSil的噪聲溫度向外部系 統(tǒng)輻射噪聲功率，由于場效應(yīng)管有低于ldB的噪聲系數(shù)，電路輸出的噪聲溫度TSil會低至 100K以下。
[0017] 本發(fā)明的一種基于場效應(yīng)管的低噪聲源的電路設(shè)計(jì)方法優(yōu)點(diǎn)在于：
[0018] -、本發(fā)明第一次使用場效應(yīng)管作為噪聲源核心，在此之前的噪聲信號源，無源器 件主要以噪聲電阻為核心，有源器件主要以氣體放電管、雪崩二極管為核心。
[0019] 二、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對場效應(yīng)管低噪聲系數(shù)特性的直接利用。以往的應(yīng)用均局限在 以場效應(yīng)管作為信號傳輸中介，起放大作用，而本發(fā)明以場效應(yīng)管作為信號發(fā)生源，直接輸 出噪聲信號，這是現(xiàn)有技術(shù)所沒有的。
[0020] 三、本發(fā)明所述的場效應(yīng)管信號源輸出噪聲溫度更低。各類傳統(tǒng)信號源，其輸出的 噪聲溫度的最低點(diǎn)受到環(huán)境溫度限制，常溫下的信號源噪聲溫度一定是高于290K的值，想 要得到低于室溫的噪聲溫度，就需要制冷劑降低物理溫度。而利用本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)的噪 聲源輸出噪聲溫度由微波場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)決定，采用〇. 4dB噪聲系數(shù)的場效應(yīng)管，電 路理論上可以輸出低至30K的噪聲功率，這極大的降低了目前可獲得的噪聲低點(diǎn)。
[0021] 四、利用本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)的信號源能夠用于設(shè)計(jì)噪聲測量冷負(fù)載、微波輻射計(jì) 參考負(fù)載等各類對噪聲功率要求敏感的器件，對微波輻射測量、微波噪聲基準(zhǔn)、射電天文均 具有重要意義。
【附圖說明】
[0022] 圖1為基于場效應(yīng)管的低噪聲功率微波信號源的電路拓?fù)鋱D。
[0023] 圖2為基于場效應(yīng)管的低噪聲功率微波信號源電路設(shè)計(jì)時(shí)的電波傳播框圖。
[0024] 圖3為電路模型與反射波原理對應(yīng)關(guān)系示意圖。
[0025] 圖4為|ΓL|與Ts,丨最小值的關(guān)系圖。
[0026] 圖5為本發(fā)明中的一種基于場效應(yīng)管的低噪聲源的電路設(shè)計(jì)方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明所述一種基于場效應(yīng)管的低噪聲源的電路設(shè)計(jì) 方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028] 根據(jù)圖1所顯示的場效應(yīng)管的電路結(jié)構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的作為放大器應(yīng)用的場效應(yīng) 管，在本發(fā)明的電路實(shí)例中，將場效應(yīng)管逆向使用。具體表現(xiàn)為，本來作為輸出級的場效應(yīng) 管漏極端接了阻性負(fù)載變?yōu)榻K端級，而原本作為輸入級的場效應(yīng)管柵極開口，向外輸出噪 聲功率。在圖1所示的實(shí)施例中，場效應(yīng)管采用雙電源方式供電，即VjPVd分別向柵極和 漏極提供高電平。加入直流扼流電路和交流旁路電容，對直流信號和交流信號進(jìn)行隔離。在 漏極終端負(fù)載前、柵極輸出端口后加入隔直電容，進(jìn)一步隔離直流功率的饋入。
[0029] 在發(fā)明的內(nèi)容中，所闡述的微波雙端口網(wǎng)絡(luò)反射波理論可由圖2給出示意。圖中 中間部分以S參數(shù)矩陣表示的黑盒網(wǎng)絡(luò)描述了二端口網(wǎng)絡(luò)的波傳播特性，根據(jù)微波工程理 論，我們只需要控制S參數(shù)矩陣的四個(gè)參數(shù)，即可完全表征二端口網(wǎng)絡(luò)，而無需知道黑盒內(nèi) 部具體構(gòu)成，這條理論同樣適用于場效應(yīng)管。兩個(gè)端口共四個(gè)方向的反射系數(shù)則共同表征 了二端口網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸特性。其中，Γ#ΡΓιη分別表示了由系統(tǒng)看向場效應(yīng)管和由場效 應(yīng)管柵極看向系統(tǒng)的反射參數(shù)，而1\和Γ_則分別表示了由終端負(fù)載看向場效應(yīng)管和由 場效應(yīng)管漏極看向終端負(fù)載的反射參數(shù)。微波雙端口網(wǎng)絡(luò)反射波理論從紛繁復(fù)雜的各型微 波源器件中提煉出了統(tǒng)一的參數(shù)矩陣做表征，大大簡化了微波電路的分析過程。
[0030] 圖3是電路模型與反射波原理對應(yīng)關(guān)系示意圖，該圖更加直觀的表示了采用雙端 口網(wǎng)絡(luò)反射波理論進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的方法。電路采用共源極形式，源極端引入感性反饋。柵 極和漏極端的