X、Ku波段寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

何 川， 孫玉發(fā)， 賈世紅

（1.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥銳捷特種電子設(shè)備廠，安徽 合肥 230009）

隨著電子對(duì)抗、微波通信和遙測(cè)遙感等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微波系統(tǒng)的小型化、寬頻帶、高頻段、低噪聲及固態(tài)化等要求不斷提高。

微波寬帶低噪聲放大器一般用于微波接收機(jī)系統(tǒng)的前端，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣，現(xiàn)今很多微波放大器的研究重點(diǎn)都放在減小體積、增加帶寬和增加輸出等方面［1－6］。

本文設(shè)計(jì)了一種覆蓋X、Ku波段的微波寬帶低噪聲放大器，其工作頻率為8～18GHz，帶內(nèi)功率增益G＞32dB，增益平坦度｜ΔG｜＜3dB，輸入輸出端的回波損耗S11和S22均優(yōu)于－7dB，噪聲系數(shù)NF＜2.8dB，1dB壓縮點(diǎn)輸出功率P1dB＝16dBm，且具有工作頻帶寬、輸入輸出匹配結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

1 寬帶放大器結(jié)構(gòu)的選擇

現(xiàn)在常用的寬帶放大器有以下幾種形式：① 分布式放大器，它可以獲得較寬的頻帶、較低的回波損耗和較高的增益，在相對(duì)較寬的頻帶內(nèi)也有較好的噪聲系數(shù)；② 平衡式放大器，它改善了增益平坦度，可以獲得較低的回波損耗，頻帶可達(dá)倍頻程，阻抗匹配性能優(yōu)良，缺點(diǎn)是工藝要求高，電路體積大；③有源匹配式放大器，是用FET代替微帶線段或電容和電感作為匹配電路元件，頻帶能達(dá)到幾個(gè)倍頻程，匹配性能良好，適用于單片微波集成；④ 負(fù)反饋式放大器，在FET的漏極和柵極之間加入反饋，以壓低低頻端的增益，改善放大器的輸入輸出匹配，帶寬可達(dá)多倍頻程，能夠獲得較低的回波損耗、較好的增益平坦度，但是各個(gè)特性的改良是以增加噪聲為代價(jià)的；⑤ 有損耗匹配放大器，它是對(duì)增益高的低段增加電阻性損耗，改善放大器的增益平坦度，增加匹配帶寬，使電路的輸入輸出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，但是由于引入電阻性損耗，所以噪聲略微升高。綜合上述5種情況，本文采用有損匹配的方法來(lái)展寬頻帶。

有耗匹配是一種可在多倍頻程范圍內(nèi)補(bǔ)償固有的增益滾降，從而獲得寬帶平坦增益的電路匹配方式［7］。匹配網(wǎng)絡(luò)引入的電阻在頻帶低端吸收能量，在頻帶高端則盡可能少地影響放大器的增益。引入電阻能拉平放大器的增益、提高器件的穩(wěn)定性，但也會(huì)帶來(lái)不利因素，如輸出功率降低，噪聲增大。電路常用的拓?fù)涫窃谳斎牒洼敵龆藨?yīng)用電阻器與高特征阻抗的短截線相串聯(lián)。在低頻段，短截線有較小的電抗，電阻加載晶體管降低了增益。在高頻段，短截線有高電抗（對(duì)于短截線長(zhǎng)度為1／4波長(zhǎng)時(shí)，其值趨于無(wú)限大），電阻對(duì)晶體管的影響甚小。因此，匹配網(wǎng)絡(luò)不是借助于失配，而是通過(guò)引入一個(gè)正極性的增益斜率來(lái)補(bǔ)償晶體管增益滾降。有損匹配式放大器具有平坦的高增益、良好的輸入輸出匹配。此外，電阻性器件可以很好地緩解低頻段穩(wěn)定性問(wèn)題，電路原理圖如圖1所示［8－9］。

圖1 有損匹配電路的原理圖

從圖1b所示的有損匹配式放大器的低頻模型出發(fā)，可得：

其中，Z0為傳輸線的特性阻抗；Gds為漏極與源極之間的電導(dǎo)；GD為有損匹配時(shí)漏極加載的電導(dǎo)。

2 電路的仿真設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的放大器用于寬帶微波接收系統(tǒng)的前端，對(duì)天線接收到的X、Ku波段的微波信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，再將其送到微波接收機(jī)進(jìn)行處理。由于放大器要放置在天線的背面，所以對(duì)放大器的體積有一定的限制。在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，主要考慮放大器的增益、增益平坦度、輸入輸出回波損耗以及放大器的結(jié)構(gòu)，尤其是在對(duì)帶寬、頻段、噪聲系數(shù)以及電路尺寸都有要求的情況下，對(duì)上述性能進(jìn)行合理的折衷是寬帶放大器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。寬帶匹配電路的設(shè)計(jì)是微帶放大器電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，對(duì)于窄帶的放大器通常要求電路的輸入輸出回波損耗優(yōu)于－10dB，但是對(duì)于寬帶放大器由于Bode約束條件［10］的限制，工程中通常要求對(duì)輸入輸出回波損耗要優(yōu)于－7dB。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)微波接收系統(tǒng)的性能指標(biāo)，放大器的具體設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為：工作頻段8～18GHz；功率增益G≥31dB；增益平坦度｜ΔG｜＜±2dB；輸入輸出端的回波損耗S11和S22優(yōu)于－7dB；噪聲系數(shù)小于3.0dB；1dB壓縮點(diǎn)輸出功率P1dB≥16dBm。

本文采用美國(guó)Hittite公司生產(chǎn)的HMCALH－435，它是一種由砷化鎵調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率晶體管（HEMT）放大芯片，HEMT具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和低噪聲、高功率增益、低功耗、高效率等特點(diǎn)。ALH435最高的工作頻率可以達(dá)到20GHz，并且噪聲系數(shù)比較低。其主要性能如下：在12GHz處有13dB的增益和2.1dB的噪聲系數(shù)，1dB壓縮點(diǎn)輸出功率為16dBm，并且在18GHz處增益可以達(dá)到12.2dB。為了達(dá)到設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，輸入端用微帶線匹配的方式降低輸入端的回波損耗，輸出端用有損匹配的方式優(yōu)化增益及平坦度，增加帶外的衰減，采用三級(jí)HEMT單級(jí)放大器級(jí)聯(lián)的形式。

未匹配單級(jí)放大器的增益以及輸入輸出端口的回波損耗S11和S22如圖2a所示，圖中單級(jí)放大器的增益平坦度和輸入端回波損耗S11曲線均不滿足指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)時(shí)單級(jí)放大器的輸入端匹配電路，輸出端采用有損匹配電路，其增益及回波損耗曲線如圖2b所示。由圖2b可見加入匹配電路之后犧牲了增益和輸出端回波損耗，使單級(jí)放大器增益控制在（11±1）dB，輸入端回波損耗S11優(yōu)于－8dB。

將單級(jí)放大器進(jìn)行級(jí)聯(lián)之后的仿真電路如圖3所示，輸出端的匹配電路由電阻R1、電容C1、電感L1和T型微帶線組成，輸入端的匹配電路由不對(duì)稱十字型微帶線構(gòu)成，通過(guò)對(duì)電路的優(yōu)化調(diào)整，得到最終的增益、輸入輸出端放射系數(shù)和噪聲系數(shù)仿真結(jié)果分別如圖4所示。

圖2 單級(jí)放大器增益和回波損耗仿真曲線

從圖4中可以看出，級(jí)聯(lián)放大器在工作頻帶內(nèi)增益可以達(dá)到33dB，增益平坦度小于3dB，輸入輸出端回波損耗S11和S22都優(yōu)于－9dB，噪聲系數(shù)小于2.8dB。三級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)公式為：

其中，NF1為第1級(jí)單級(jí)放大器的噪聲系數(shù)；G1為第1級(jí)單級(jí)放大器的增益。整個(gè)設(shè)計(jì)階段的仿真使用Agilent公司的Advanced Design System軟件，通過(guò)軟件的仿真和優(yōu)化，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的要求。

圖3 級(jí)聯(lián)放大器仿真電路圖

圖4 級(jí)聯(lián)放大器的仿真結(jié)果

3 實(shí)物測(cè)試及分析

根據(jù)仿真結(jié)果得到的尺寸和結(jié)構(gòu)，采用介電常數(shù)較為穩(wěn)定的 Rogers4003（εr＝3.38，h＝0.508mm）作為電路的基板，實(shí)際制作出一款有損匹配寬帶低噪聲放大器，如圖5所示。使用Agilent5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得放大器樣品的功率增益S21曲線以及輸入輸出回波損耗S11和S22曲線，分別如圖6所示。由圖6可見，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，但與仿真結(jié)果相比功率增益約小1dB左右，輸入端和輸出端的回波損耗約高1～2dB。主要原因分析如下：整個(gè)微帶電路的仿真都是在理想無(wú)耗的狀態(tài)下進(jìn)行的，電路的制作過(guò)程中存在工藝誤差，輸入輸出端SMA接頭非最佳匹配、工作溫度變化等影響了放大器的功率增益、回波損耗和噪聲系數(shù)等性能。尤其是在本設(shè)計(jì)的高頻段（16～18GHz）表現(xiàn)更為明顯。在實(shí)際制作中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：①保證電路板有充分的面積屏蔽盒牢固的接觸，以保證電路有良好的接地性能；② 屏蔽盒空腔的諧振頻率要遠(yuǎn)離放大器的工作頻率；③ 在電路調(diào)試的時(shí)候預(yù)留匹配點(diǎn)以及加入吸波材料用來(lái)調(diào)整放大器的性能。

圖5 放大器的實(shí)物圖

圖6 放大器的測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)寬帶放大器的原理及其匹配方式進(jìn)行了分析，并且在電路結(jié)構(gòu)、器件選擇等方面討論了寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。通過(guò)有損匹配和微帶線匹配的方式實(shí)現(xiàn)了覆蓋X、Ku波段的寬帶放大器，在工作頻帶內(nèi)功率增益大于32dB，增益平坦度小于3dB，最大輸出功率為16dBm，輸入輸出端的回波損耗S11和S22均優(yōu)于－7dB，噪聲系數(shù)小于2.8dB，外形尺寸為50mm×30mm×15mm。本文設(shè)計(jì)的放大器完全符合技術(shù)指標(biāo)要求，是一種性能優(yōu)良的小型微波寬帶低噪聲放大器，可以廣泛應(yīng)用于微波通信、無(wú)線遙測(cè)等電子設(shè)備中。

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