X波段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

王紅梅，任 緬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所 江蘇 南京 210016）

隨著移動(dòng)通信的不斷發(fā)展，低噪聲放大器已廣泛應(yīng)用于電子接收及雷達(dá)系統(tǒng)中。由于其對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)的接收靈敏度和噪聲性能起著決定性作用，加之近年來(lái)高電子遷移率新型晶體管生產(chǎn)的日臻成熟，由該類(lèi)HEMT晶體管制作的多級(jí)低噪聲放大器顯示出了優(yōu)越的性能。

1 基本原理

放大器的主要指標(biāo)有：穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)（信噪比下降的倍數(shù)）、增益、駐波系數(shù)（表征輸入輸出匹配情況）。與增益相關(guān)的有匹配及穩(wěn)定系數(shù)K。K必須大于1，S11和S22的模必須小于1，才能保證電路的穩(wěn)定性[1]。對(duì)所有微波放大器而言，其設(shè)計(jì)主要包括穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、直流偏置設(shè)計(jì)、輸入、輸出匹配設(shè)計(jì)。

低噪聲放大器的性能包含低的噪聲系數(shù)，合理的增益和穩(wěn)定性 （指整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)不會(huì)振蕩）。低噪聲放大器一般都是按最佳噪聲匹配設(shè)計(jì)，噪聲最佳匹配點(diǎn)并非最大增益點(diǎn)，所以增益比最佳功率匹配（即共軛匹配）時(shí)低約2～4 dB。共軛匹配時(shí)，信號(hào)反射最小，所以輸出功率最大。但有時(shí)也有為了降低駐波比VSWR，以犧牲一點(diǎn)點(diǎn)噪聲系數(shù)為代價(jià)的。根據(jù)具體指標(biāo)要求，電路的設(shè)計(jì)思路也略有不同。

2 電路設(shè)計(jì)及仿真

這里我們制作了一種X波段低噪聲放大器，主要是從以下幾方面進(jìn)行考慮。

2.1 器件和模型的選擇

放大器的核心器件是晶體管。晶體管選擇的考慮因素主要有管子的性能、指標(biāo)、工作條件及價(jià)格等等，這里因?yàn)樵鲆?、噪聲要求較高，所以選用了高電子遷移率的HEMT管子，其低噪聲性能比GaAs FET管更優(yōu)越，加上HEMT管已商業(yè)化，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于低噪聲領(lǐng)域。此外，選擇較小Rn（等效噪聲電阻）的晶體管較易獲得較低的噪聲系數(shù)，同時(shí)得到小的輸入駐波比[2]，Eudyna公司的 FHX76LP在 Vds=2 V，Ids=10 mA的偏置下，Rn僅有 4 Ω；而 FHX35LG 在 Vds=3 V，Ids=10 mA 的偏置下，Rn也僅為 6 Ω。

2.2 穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)

穩(wěn)定性設(shè)計(jì)考慮的主要是抑制放大器的自激振蕩。我們已知放大器電路絕對(duì)穩(wěn)定的充分必要條件如下：

首先我們將晶體管的S2P文件導(dǎo)入AWR仿真環(huán)境，如圖1所示。

圖1 晶體管仿真Fig.1 Simulation of transistor

從仿真結(jié)果，如圖2所示，可以看出在9～11G Hz，K＜1時(shí)，是潛在不穩(wěn)定的。對(duì)于潛在不穩(wěn)定的管子是不能達(dá)到共軛匹配的，因?yàn)楣曹椘ヅ潼c(diǎn)就是自激振蕩點(diǎn)，故設(shè)計(jì)時(shí)要使輸入、輸出電路呈現(xiàn)一定程度的失配[3]。若引入有耗元件，如阻性負(fù)反饋法，穩(wěn)定性雖可得到改善，但同時(shí)噪聲系數(shù)要相應(yīng)增大[4]，因K接近1，在不增加有耗元件的前提下，可通過(guò)輸入、輸出匹配來(lái)改善其穩(wěn)定特性，這里只仿真了FHX76LP的情況，F(xiàn)HX35LG用同樣方式仿真發(fā)現(xiàn)也屬于條件穩(wěn)定，必須有匹配電路。

圖2 穩(wěn)定系數(shù)K Fig.2 Stability factor K

2.3 電路形式的選擇及偏置電路的設(shè)計(jì)

因?yàn)榉糯笃鞯脑鲆嬷笜?biāo)較高，一般單管的增益小于15 dB，所以電路采用了兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。電原理圖如圖3所示。

偏置電路主要是給管子提供一直流工作點(diǎn)，它影響到放大器的噪聲系數(shù)和增益特性。對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管，IDSS越大，增益越高，但噪聲越差，這里選用的了Eudyna公司的FHX76LP、FHX35LG，單電源供電，都是柵極接地，靜態(tài)工作點(diǎn)分別為Vds=2 V，Ids=10 mA和Vds=3 V，Ids=10 mA，這樣可獲得噪聲系數(shù)和增益特性的最佳平衡。這里直流饋電采用了λ/4高阻線，其終端用扇形線對(duì)高頻短路（具體仿真見(jiàn)2.4節(jié)），通過(guò)電阻分壓對(duì)漏極、源級(jí)供電。同時(shí)電源進(jìn)來(lái)加了濾波電容，每個(gè)管子的偏置也增加了電容去耦，這樣可避免電源噪聲和偏置電阻熱噪聲給器件的噪聲性能帶來(lái)影響。

圖3 電原理圖Fig.3 Circiut diagram

2.4 匹配電路優(yōu)化仿真

匹配電路設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧較高的增益和較低的噪聲系數(shù)，放大器第一級(jí)按最佳噪聲設(shè)計(jì)，后級(jí)則采用使增益最大的共軛匹配設(shè)計(jì)[5]，對(duì)于級(jí)間匹配，因需進(jìn)一步調(diào)試優(yōu)化，所以第一級(jí)放大器的S22不能太差，至少要小于-10 dB，否則兩級(jí)合并時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響輸入、輸出駐波。此外，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)低噪放也至關(guān)重要！在較高頻率的波段，元件尺寸將于波長(zhǎng)相當(dāng)，此時(shí)可用分布參數(shù)的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載與傳輸線的匹配。本例采用并聯(lián)導(dǎo)納拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即利用串聯(lián)微帶傳輸線進(jìn)行導(dǎo)納變換，然后并聯(lián)一個(gè)微帶分支線，微帶線終端開(kāi)路（或短路），用其輸入導(dǎo)納作為補(bǔ)償導(dǎo)納，以達(dá)到電路匹配。仿真時(shí)先設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，再通過(guò)Random（隨機(jī)法）和Gradient（梯度法）來(lái)找到理想結(jié)果。在優(yōu)值設(shè)計(jì)中，選擇的匹配電路注意要有較大的容差，使之適應(yīng)工藝參數(shù)的調(diào)整。圖5～圖7分別是仿真電路拓?fù)浼案鲄?shù)的仿真結(jié)果。

圖4 增益Fig.4 Gain

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)以上的分析及仿真，我們采用Eudyna公司的FHX76LP和FHX35LG級(jí)聯(lián)在εr=2.6，h=0.5 mm厚的聚四氟乙烯板上制作的X波段低噪聲放大器，經(jīng)過(guò)調(diào)試，取得了以下指標(biāo)：在頻帶內(nèi)增益大于22 dB，噪聲系數(shù)小于1.5 dB，輸入輸出駐波比小于1.7。

圖5 輸入、輸出駐波Fig.5 Input and output VSWR

圖6 穩(wěn)定系數(shù)KFig.6 Stability factor K

圖7 噪聲系數(shù)Fig.7 Noise figure

3 結(jié) 論

從上面試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除噪聲外，其余指標(biāo)與仿真結(jié)果出入不大，究其原因有以下幾點(diǎn)：1）因?yàn)槭菃坞娫垂╇?，兩只放大管的源?jí)都是通過(guò)一個(gè)幾十pF的陶瓷電容接地，該陶瓷電容單獨(dú)測(cè)試時(shí)其特性曲線并不好，故而對(duì)電路造成較大影響；2）因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)說(shuō)過(guò)低噪聲放大器尤其前級(jí)是按照最佳噪聲匹配的，駐波并不是最好的，這也對(duì)整體噪聲造成一定影響。解決措施有：?jiǎn)坞娫纯梢愿某呻p電源供電（即漏極正電壓和柵極負(fù)電壓分別由正壓和負(fù)壓兩個(gè)電源供電），這時(shí)源級(jí)直接接地，雖然等效壓差與單電源相同，但在射頻微波電路中，接地良好對(duì)指標(biāo)的影響很大，所以源級(jí)直接就近接地，受外界的微擾減小[6]；3）在空間結(jié)構(gòu)許可的情況下，放大器的輸入、輸出可以級(jí)聯(lián)隔離器，但要注意選用帶寬要寬、駐波要小的隔離器，這樣可以極大改善駐波，也間接改善了噪聲[7]；當(dāng)設(shè)計(jì)更高頻率的放大器時(shí)，注意腔體尺寸的變化，不能過(guò)大，并且可以粘貼相應(yīng)頻率的吸收材料，最好同時(shí)將驅(qū)動(dòng)電路放在微波基板背面，通過(guò)開(kāi)孔或穿芯電容引入饋電，同時(shí)在PCB布板中要考慮到鄰近相關(guān)電路的影響，注意濾波、接地和外電路干擾問(wèn)題設(shè)計(jì)中要滿足電磁兼容設(shè)計(jì)原則，以提高產(chǎn)品電特性。

[1]Rohde U L，Newkirk D P.RF/Microwave circiut design for wireless application[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]彭龍新，李建平，李拂曉.5～22 GHz平坦高增益單片低噪聲放大器[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2006，26（2）:174-178.

PENG Long-xin，LI Jian-ping，LI Fu-xiao.5 ～22 GHz flat high-gain monolighic LNA[J].Research and Progress of Solid State Electronics，2006，26（2）：174-178.

[3]《中國(guó)集成電路大全》編委會(huì).微波集成電路[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

[4]彭龍新，林金庭，魏同立.寬帶單片低噪聲放大器[J].電子學(xué)報(bào)，2004，32（11）：1933-1937.

PENG Long-xin，LIN Jin-ting，WEI Tong-li.Wide-band monolighic LNA[J].Chinese Journal of Electronics，2004，32（11）:1933-1937.

[5]Misra D K.Radio-frenquency and microwave communication Circiuts[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[6]雷振亞.射頻/微波電路導(dǎo)論[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[7]楊耀，魏賓，李晶晶，等.基于小波去噪的電力系統(tǒng)日負(fù)荷分析[J].陜西電力，2011（12）：14-17.

YANG Yao，WEI Bin，LI Jing-jing，et al.Analysis on daily load of power system based on wavelet De-noising[J].Shaanxi Electric Power,2011（12）：14-17.