Ka頻帶低雜訊放大器和共平面波導低通濾波器分析設計與實現

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劉文淵(Wen-Yuan Liu) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

Ka頻帶低雜訊放大器和共平面波導低通濾波器分析設計與實現
(Analysis, Design, and Realization of Ka band Low Noise Amplifier and Coplanar Waveguide Lowpass Filter)

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摘要(中)

摘要
低雜訊放大器（Low Noise Amplifier, LNA）電路實現乃利用穩懋半導體公司（WIN）下線，提供0.15 ?m PHEMT MMIC製程技術，設計工作於Ka-band之30GHz頻段電路，在被動元件上的設計係採用傳輸線（Microstrip Line）方式來進行元件之匹配、偏壓電路設計，並利用串接兩級電路的方式來達到較大的增益輸出，但依舊能保持低雜訊的特性，藉由PHEMT元件較佳的高頻特性，能得到低雜訊、高增益以及高線性度的輸出。量測結果為S21 = 13.1 dB、S22 = - 10.7 dB在30 GHz頻率，而雜訊指數低於3.16 dB在30 GHz頻率下。共平面波導低通濾波器（Lowpass Filter, LPF）設計上，利用模擬軟體設計出低通濾波器之結構，接著設計光罩後將電路實作於陶瓷基板（Al2O3）製程上，低通濾波器模擬頻寬為30 GHz，而實際量測結果頻寬偏移至25 GHz，此時插入損耗約為3.4 dB。量測結果在通帶頻率範圍內的插入損耗比模擬約大1.3 dB，反射損耗在25 GHz頻率範圍下增加4 dB以內。附錄中針對使用矽基板製作之矽鍺製程作分析，以台積電公司（tsmc）提供之0.35 ?m 3P3M SiGe BiCMOS製程進行基板效應研究，進而研究Pads寄生純電容效應，了解其等效模型並帶入模擬系統中，如此可增進模擬準確性，並採用傳輸線設計電感，以增加SiGe製程所設計電路之工作頻率，減少不可預知的偏移產生。
誌謝
非常感謝辛裕明老師在這兩年來在每次meeting的引導，同時感謝審定本論文之評審委員王永和教授、王郁琦協理、詹益仁教授和綦振瀛教授在口試期間對本論文在觀念上的澄清和建議，使內容更臻於完整。
從大學畢業後甄試進入中央大學，剛開始是抱著好奇有趣的心情接觸這無線通訊的領域，也慢慢體驗所謂研究生的生活，很幸運的能得到辛裕明老師及幾位學長的教導，讓我從生澀的新生開始學習成長，也學到很多很多這方面的知識。中央大學擁有著在高頻通訊電路的製程、設計到量測各個階段完善的設備儀器，著實提供了良好學習環境給這裡研究的學生，真算是個很不錯的地方，剩下的就是個人對於自我的要求和努力的程度，很高興我能成為中大的一份子，假以時日，希望中大也能以我這個中大人為榮。
小潘學長、國軍學長、維國、守謙、water和亭林，這幾位我們當初一起進來的同學和學長，在研究上我們多以玩笑的方式來提醒彼此要多努力；在生活休閒上的我們更是感情濃厚，偶爾彼此間的宵夜聚餐讓大伙的感情更深厚，因為有造哥的帶領下，使我們在遇到問題時能有所指引，並不忘要大伙共同合作研究。也許，今後服完國防後我的這幾位好朋友，都是博班畢業生吶！到時候可別忘了多提拔我。幾位新進來的學弟－佑安、浩維、振洋和昭羲，group的偉大是一屆一屆累積下來的，你們可要好好繼續加油，傳承上一屆的成果並避開錯誤的地方，得到更完美的研究成果。
最最感謝的還是我的家人，因為有你們的鼓勵讓我在這兩年不寂寞，而在當我茫然困惑時，大哥大嫂你們給予我方向的指引和建議，在我的心中真的很謝謝有你們給我的關心照顧。因為有最親愛的家人為我在這段時日來物質上和精神上的提供，方能造就我今日和今後的一切，以後我所達到的成就同時也是為了感謝你們，更為了有機會能有所回報，我的成功將與您們共同分享，謝謝您們！

摘要(英)

Realization of the low noise amplifier（LNA）circuit is using of WIN 0.15 ?m PHEMT MMIC process technology, the working frequency of circuit is Ka-band of 30GHz. Using the Microstrip Line as the transmission line to design the passive elements, carry out the match of elements and design the bias of circuits. Finally to reach lager associated gain by using the cascade two stage circuits, and still keep low noise characteristic. The S-parameters measurement results of LNA, S21 is 13.1 dB, S22 is - 10.7 dB at 30 GHz, and the noise figure is below 3.16 dB at 30 GHz。Coplanar waveguide （CPW）Lowpass Filter（LPF）structure were designed by CAD, after design the mask and realize the circuit processed on Al2O3 substrate, the simulation results low pass bandwidth is 30 GHz, but the measurement results shift to 25 GHz, at this time insertion loss is about 3.4 dB. The addition of insertion loss is 1.3 dB, and addition of return loss is 4 dB at the 25 GHz bandwidth on measurement results.
In appendix, analysis the SiGe process which using Silicon substrate. By using of tsmc 0.35 ?m 3P3M SiGe BiCMOS process technology to study of the substrate effect, and further, study the parasitic capacitance effect of Pads. Understand the equivalent model of parasitic effect, and take it into simulation systems. Then improve the accuracy of simulation, to decrease the unpredictable shift between simulation and measurement.

關鍵字(中)

★ 低通濾波器
★ 低雜訊放大器
★ 陶瓷基板

關鍵字(英)

★ Al2O3
★ low pass filter
★ shielded pads
★ PHEMT
★ low noise amplifier

論文目次

目錄
頁次
第一章導論………………………………………………… 1
1.1 微波電路之研究背景……………………………… 1
1.2 研究動機…………………………………………… 2
1.3 論文架構…………………………………………… 3
第二章雜訊來源與雜訊指數定義………………………… 5
2.1 簡介………………………………………………… 5
2.2 微波電路中的雜訊來源…………………………… 5
2.3 雜訊功率與等效雜訊溫度………………………… 7
2.4 雙埠網路之雜訊指數……………………………… 8
2.4.1 雙極電晶體的雜訊………………………………… 10
2.4.2 場效電晶體的雜訊………………………………… 11
2.4.3 模擬軟體計算之雜訊原理………………………… 12
2.4.4 兩級電路雜訊指數計算…………………………… 13
第三章 Ka-band（30GHz）低雜訊放大器設計…………… 16
3.1 簡介………………………………………………… 16
3.2 電路穩定性考量…………………………………… 16
3.2.1 穩定度判斷………………………………………… 17
3.2.2 穩定電路設計方式………………………………… 19
3.3 阻抗匹配…………………………………………… 20
3.4 低雜訊放大器電路模擬設計……………………… 21
3.4.1 電路設計步驟……………………………………… 21
3.4.2 電路架構…………………………………………… 24
3.4.3 電路模擬結果……………………………………… 25
3.4.4 電路佈局…………………………………………… 29
3.5 電路量測結果……………………………………… 30
3.6 結果與討論………………………………………… 37
第四章共平面波導低通濾波器設計……………………… 38
4.1 簡介………………………………………………… 38
4.2 共平面波導特性研究……………………………… 38
4.3 濾波器特性研究…………………………………… 40
4.3.1 濾波器介紹………………………………………… 40
4.3.2 集總與分佈元件轉換關係………………………… 42
4.4 共平面波導低通濾波器設計……………………… 43
4.4.1 濾波器製作流程…………………………………… 44
4.4.2 電路模擬結果……………………………………… 44
4.4.3 電路量測結果……………………………………… 46
4.5 結果與討論………………………………………… 48
第五章結論………………………………………………… 50
附錄A 矽基板上高頻電路之Pads寄生效應研究………… 51
A.1 簡介………………………………………………… 51
A.2 矽基板效應研究…………………………………… 52
A.2.1 主動元件介紹……………………………………… 52
A.2.2 矽基板損耗探討…………………………………… 53
A.2.3 傳輸線電感設計…………………………………… 58
A.3 結果與討論………………………………………… 60
參考文獻 ……………………………………………………………………………… 61

參考文獻

參考文獻
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指導教授

辛裕明(Yue-ming Hsin)

審核日期

2004-7-8

推文