基于超導(dǎo)接收機(jī)前端的低溫低噪聲放大器設(shè)計(jì)

王英豪+張磊

摘 要：低噪聲放大器是接收機(jī)系統(tǒng)的重要模塊。介紹了應(yīng)用于P波段的低溫低噪放大器的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法，通過(guò)使用PHEMT晶體管，按照最小噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)，采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)，并引入源級(jí)負(fù)反饋和電阻并聯(lián)負(fù)反饋來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在77 K溫度下，實(shí)測(cè)放大器增益大于30 dB，噪聲系數(shù)低于0.5 dB，輸入輸出反射系數(shù)小于—15 dB。

關(guān)鍵詞：低溫;低噪聲放大器;穩(wěn)定性;噪聲系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN722 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-1302（2014）12-00-02

0 ?引 ?言

隨著現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信、微波測(cè)量、電子對(duì)抗等技術(shù)的高速發(fā)展，一些工作特定環(huán)境下的接收機(jī)需要更高的性能要求。高溫超導(dǎo)接收機(jī)（High temperature superconducting receiver，HTS receiver）前端則以其高靈敏度、高選擇性、極低噪聲等特點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生，高溫超導(dǎo)接收機(jī)前端由高溫超導(dǎo)濾波器和低溫低噪聲放大器（Cryogenic Low Noise Amplifier， CLNA）組成。CLNA作為接收機(jī)第一級(jí)有源器件，其噪聲性能直接決定了接收機(jī)的靈敏度。文獻(xiàn)[1]顯示，在常用通訊頻段中，60K低溫下的放大器噪聲系數(shù)（Noise Figure，NF）較之常溫下的噪聲系數(shù)下降約0.4 dB，這可極大提高通信的傳輸效率和質(zhì)量。目前，HTS receiver在雷達(dá)、通信、射電天文接收機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用。

近年來(lái)，通過(guò)低溫冷卻LNA中的高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）使得低噪聲放大器快速發(fā)展并大幅提高了其性能。但HEMT管難以在幾百兆赫茲頻率范圍工作的的同時(shí)達(dá)到較小噪聲，文獻(xiàn)[1，2]亦是工作在800 MHz及以上頻率范圍。本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在500～700 MHz頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出能優(yōu)異的CLNA，這必須權(quán)衡低NF、高增益，無(wú)條件穩(wěn)定等因素，無(wú)疑增加了設(shè)計(jì)難度。本文最終實(shí)現(xiàn)77 K液氮低溫環(huán)境下：噪聲系數(shù)小于0.5 dB，增益大于30 dB，反射系數(shù)小于-15 dB。

1 ?低溫低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真

1.1 ?器件選擇

由于器件在低溫下的工作特性與常溫環(huán)境下不同，通過(guò)常規(guī)手段設(shè)計(jì)的常溫低噪聲放大器直接應(yīng)用于低溫環(huán)境中通常不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于低溫低噪聲放大器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)直接在低溫下調(diào)整還難以實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[2]給出了一種低溫低噪聲放大器的預(yù)修正設(shè)計(jì)方案，綜合利用仿真軟件和實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)獲取晶體管的低溫參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是，本次我們并沒(méi)有提取低溫參數(shù)，而是通過(guò)選取熟悉的器件，參考常溫特性及低溫環(huán)境測(cè)試結(jié)果，預(yù)修正與驗(yàn)證設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)選用安捷倫公司的增強(qiáng)型PHEMT器件ATF-54143，它不僅具有極低的噪聲與較高的增益，同時(shí)可以消除HEMT器件在低溫下的深電子陷阱效應(yīng)。

1.2 ?放大器穩(wěn)定型設(shè)計(jì)

在理想放大器中S12為零，放大器會(huì)無(wú)條件穩(wěn)定。但微波晶體管存在內(nèi)部反饋，晶體管的S12即表示內(nèi)部反饋量，可能導(dǎo)致放大器穩(wěn)定性變差甚至自激，過(guò)高的增益亦會(huì)造成反饋功率變大，導(dǎo)致不穩(wěn)定[3]。因此設(shè)計(jì)放大器必須保證放大器在工作頻段內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定。放大器的絕對(duì)穩(wěn)定條件是：

（1）

（2）

式中：Sij為晶體管的S參數(shù)，K稱(chēng)為穩(wěn)定性判別系數(shù)，同時(shí)滿(mǎn)足上述兩個(gè)條件才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。通過(guò)ADS仿真可以看出來(lái)ATF-54143在工作頻段內(nèi)并不是絕對(duì)穩(wěn)定的。對(duì)于潛在不穩(wěn)定管子，常見(jiàn)的改善穩(wěn)定性方法有：源級(jí)負(fù)反饋，一般使用無(wú)耗感抗負(fù)反饋，實(shí)際電路中，常使用微帶線(xiàn)LS來(lái)構(gòu)成;輸入、輸出端口串并聯(lián)電阻，用來(lái)抵消自激震蕩引來(lái)的負(fù)阻抗部分，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致噪聲系數(shù)惡化。綜合考慮管子特性及設(shè)計(jì)要求，最終使用源級(jí)負(fù)反饋和阻性元件并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)，反饋結(jié)構(gòu)引入阻性元件Rf可以減少增益紋波、降低寬帶匹配難度，其引入的的噪聲會(huì)隨著溫度減低得到顯著下降。本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)達(dá)到設(shè)計(jì)所需增益要求，通過(guò)PI型阻性衰減器來(lái)提高級(jí)間隔離度。其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)圖

1.3 ?放大器電路設(shè)計(jì)

放大器電路設(shè)計(jì)包括直流偏置設(shè)計(jì)，直流隔離設(shè)計(jì)，匹配電路設(shè)計(jì)，版圖聯(lián)合仿真優(yōu)化。

直流偏置設(shè)計(jì)包括了PHEMT管的靜態(tài)工作點(diǎn)及工作狀態(tài)的選取和偏置電路設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)選取3 V、60 mA工作點(diǎn)。首要滿(mǎn)足最小噪聲的同時(shí)，依靠?jī)杉?jí)放大來(lái)提高增益。在保證將偏置電壓正確送入到PHEMT管腳的同時(shí)需要做到與交流電路部分達(dá)到良好的隔離。在LNA電路設(shè)計(jì)中，使用隔直電容C3、C4來(lái)抑制直流偏置電壓對(duì)前后級(jí)器件的影響。

匹配電路設(shè)計(jì)：低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和放大電路的匹配網(wǎng)絡(luò)有著緊密的聯(lián)系，二端口放大器噪聲系數(shù)表達(dá)式為

（3）

式中：Fmin表示晶體管噪聲系數(shù)的最小值，rn為晶體管的等效噪聲電阻，Γopt為最佳源反射系數(shù)，ΓS為源反射系數(shù)。由此可見(jiàn)，當(dāng)Γopt=ΓS時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳噪聲匹配。因此放大器的第一級(jí)按照最小噪聲設(shè)計(jì)同時(shí)適當(dāng)兼顧駐波特性，輸入端反射系數(shù)ΓS選Γopt附近，放大器第二級(jí)設(shè)計(jì)兼顧噪聲和增益。根據(jù)ADS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，添加微帶與焊盤(pán)，聯(lián)合仿真最后達(dá)到仿真結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)ADS仿真設(shè)計(jì)的版圖制成PCB電路，使用村田0603封裝元件焊接。為了保證良好的接地，PCB使用大量過(guò)孔安裝到屏蔽盒地板上，屏蔽盒采用黃銅材料，最終制作的LNA實(shí)物如圖2所示。

圖2 ?放大器實(shí)物

2 ?電路調(diào)整及實(shí)測(cè)結(jié)果

將放大器置于77 K溫度的液氮環(huán)境中，初次測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)有不小偏差，這一方面是由于分立元件的離散性和焊接引起的各種寄生參數(shù)影響，另一重要原因是晶體管在低溫環(huán)境下性能參數(shù)的顯著變化。在低溫環(huán)境中，晶體管的V～I(xiàn)特性會(huì)發(fā)生變化，首先我們需要增加?xùn)艠O電壓來(lái)維持晶體管的漏極電流[4]，保證放大器工所需的偏置條件，測(cè)試顯示惡化嚴(yán)重的輸入駐波得到了改善。 在保證低噪聲的情況下，我們根據(jù)實(shí)測(cè)低溫S11與NF情況，結(jié)合靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)圖1中反饋電阻Rf的值直接關(guān)系輸入駐波和噪聲。液氮環(huán)境中，增大Rf可以減小噪聲，但會(huì)惡化輸入駐波，減小Rf改善了駐波但會(huì)惡化噪聲，權(quán)衡整個(gè)設(shè)計(jì)，我們選擇了一個(gè)最優(yōu)的Rf值，最后使得噪聲與駐波均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。最終實(shí)現(xiàn)的放大器測(cè)試結(jié)果如圖3～圖6所示，由圖3可見(jiàn)放大器在低溫下的噪聲系數(shù)下降約0.5 dB，極大地提高了放大器的性能。

圖3 ?低噪放噪聲測(cè)試結(jié)果

圖4 ?原理圖仿真S參數(shù)

圖5 ?低噪放常溫S參數(shù)

圖6 ?低噪放低溫S參數(shù)

參考其仿真結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)由分立元件焊接的放大器性能易出現(xiàn)惡化，增益減小駐波變差等，這說(shuō)明在仿真時(shí)候添加冗余量的重要性。由常溫和低溫測(cè)試結(jié)果圖發(fā)現(xiàn)，按照最小噪聲兼顧輸入駐波匹配的電路在低溫環(huán)境下，其器件特性的變化使得之前的匹配并不是在最優(yōu)點(diǎn)，這就造成了S11的部分惡化，我們需要根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合常溫、低溫調(diào)試來(lái)修正電路模型，最終實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)。

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文介紹了P波段低溫低噪聲放大器的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析與說(shuō)明，并成功制備LNA樣品，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)分別在常溫和低溫下進(jìn)行測(cè)試，很好地完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)，低溫下優(yōu)良的性能達(dá)到超導(dǎo)接收機(jī)前端的要求 。

參考文獻(xiàn)

[1] Wang F. Characteristics of Low Noise 800MHz Amplifier at Cryogenic Temperature[C]. Beijing. Internal Conference Microwave Technology，2004，991-994

[2]張濤，官伯然.低溫低噪聲放大器的預(yù)修正設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)[J].低溫物理學(xué)報(bào)，2012，34 （6），446-450.

[3]鄭磊.微波寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

[4] Marian W. Pospieszalski. FETs and HEMTs at cryogenic temperatures their properties and use in low-noise amplifiers[J].IEEE Transactions on Microwave ?Theory and Techniques，1988，36（3），552-560.

[5] Wang Guobin， Zhang Xiaoping. A 400 MHz Low Noise Amplifier at Cryogenic Temperature for Superconductor Filter System[J].Journal of Electronic Science and Technology of China，2007，5（3），230-233.

2 ?電路調(diào)整及實(shí)測(cè)結(jié)果

將放大器置于77 K溫度的液氮環(huán)境中，初次測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)有不小偏差，這一方面是由于分立元件的離散性和焊接引起的各種寄生參數(shù)影響，另一重要原因是晶體管在低溫環(huán)境下性能參數(shù)的顯著變化。在低溫環(huán)境中，晶體管的V～I(xiàn)特性會(huì)發(fā)生變化，首先我們需要增加?xùn)艠O電壓來(lái)維持晶體管的漏極電流[4]，保證放大器工所需的偏置條件，測(cè)試顯示惡化嚴(yán)重的輸入駐波得到了改善。 在保證低噪聲的情況下，我們根據(jù)實(shí)測(cè)低溫S11與NF情況，結(jié)合靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)圖1中反饋電阻Rf的值直接關(guān)系輸入駐波和噪聲。液氮環(huán)境中，增大Rf可以減小噪聲，但會(huì)惡化輸入駐波，減小Rf改善了駐波但會(huì)惡化噪聲，權(quán)衡整個(gè)設(shè)計(jì)，我們選擇了一個(gè)最優(yōu)的Rf值，最后使得噪聲與駐波均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。最終實(shí)現(xiàn)的放大器測(cè)試結(jié)果如圖3～圖6所示，由圖3可見(jiàn)放大器在低溫下的噪聲系數(shù)下降約0.5 dB，極大地提高了放大器的性能。

圖3 ?低噪放噪聲測(cè)試結(jié)果

圖4 ?原理圖仿真S參數(shù)

圖5 ?低噪放常溫S參數(shù)

圖6 ?低噪放低溫S參數(shù)

參考其仿真結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)由分立元件焊接的放大器性能易出現(xiàn)惡化，增益減小駐波變差等，這說(shuō)明在仿真時(shí)候添加冗余量的重要性。由常溫和低溫測(cè)試結(jié)果圖發(fā)現(xiàn)，按照最小噪聲兼顧輸入駐波匹配的電路在低溫環(huán)境下，其器件特性的變化使得之前的匹配并不是在最優(yōu)點(diǎn)，這就造成了S11的部分惡化，我們需要根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合常溫、低溫調(diào)試來(lái)修正電路模型，最終實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)。

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文介紹了P波段低溫低噪聲放大器的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析與說(shuō)明，并成功制備LNA樣品，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)分別在常溫和低溫下進(jìn)行測(cè)試，很好地完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)，低溫下優(yōu)良的性能達(dá)到超導(dǎo)接收機(jī)前端的要求 。

參考文獻(xiàn)

[1] Wang F. Characteristics of Low Noise 800MHz Amplifier at Cryogenic Temperature[C]. Beijing. Internal Conference Microwave Technology，2004，991-994

[2]張濤，官伯然.低溫低噪聲放大器的預(yù)修正設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)[J].低溫物理學(xué)報(bào)，2012，34 （6），446-450.

[3]鄭磊.微波寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

[4] Marian W. Pospieszalski. FETs and HEMTs at cryogenic temperatures their properties and use in low-noise amplifiers[J].IEEE Transactions on Microwave ?Theory and Techniques，1988，36（3），552-560.

[5] Wang Guobin， Zhang Xiaoping. A 400 MHz Low Noise Amplifier at Cryogenic Temperature for Superconductor Filter System[J].Journal of Electronic Science and Technology of China，2007，5（3），230-233.

2 ?電路調(diào)整及實(shí)測(cè)結(jié)果

將放大器置于77 K溫度的液氮環(huán)境中，初次測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)有不小偏差，這一方面是由于分立元件的離散性和焊接引起的各種寄生參數(shù)影響，另一重要原因是晶體管在低溫環(huán)境下性能參數(shù)的顯著變化。在低溫環(huán)境中，晶體管的V～I(xiàn)特性會(huì)發(fā)生變化，首先我們需要增加?xùn)艠O電壓來(lái)維持晶體管的漏極電流[4]，保證放大器工所需的偏置條件，測(cè)試顯示惡化嚴(yán)重的輸入駐波得到了改善。 在保證低噪聲的情況下，我們根據(jù)實(shí)測(cè)低溫S11與NF情況，結(jié)合靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)圖1中反饋電阻Rf的值直接關(guān)系輸入駐波和噪聲。液氮環(huán)境中，增大Rf可以減小噪聲，但會(huì)惡化輸入駐波，減小Rf改善了駐波但會(huì)惡化噪聲，權(quán)衡整個(gè)設(shè)計(jì)，我們選擇了一個(gè)最優(yōu)的Rf值，最后使得噪聲與駐波均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。最終實(shí)現(xiàn)的放大器測(cè)試結(jié)果如圖3～圖6所示，由圖3可見(jiàn)放大器在低溫下的噪聲系數(shù)下降約0.5 dB，極大地提高了放大器的性能。

圖3 ?低噪放噪聲測(cè)試結(jié)果

圖4 ?原理圖仿真S參數(shù)

圖5 ?低噪放常溫S參數(shù)

圖6 ?低噪放低溫S參數(shù)

參考其仿真結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)由分立元件焊接的放大器性能易出現(xiàn)惡化，增益減小駐波變差等，這說(shuō)明在仿真時(shí)候添加冗余量的重要性。由常溫和低溫測(cè)試結(jié)果圖發(fā)現(xiàn)，按照最小噪聲兼顧輸入駐波匹配的電路在低溫環(huán)境下，其器件特性的變化使得之前的匹配并不是在最優(yōu)點(diǎn)，這就造成了S11的部分惡化，我們需要根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合常溫、低溫調(diào)試來(lái)修正電路模型，最終實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)。

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文介紹了P波段低溫低噪聲放大器的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析與說(shuō)明，并成功制備LNA樣品，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)分別在常溫和低溫下進(jìn)行測(cè)試，很好地完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)，低溫下優(yōu)良的性能達(dá)到超導(dǎo)接收機(jī)前端的要求 。

參考文獻(xiàn)

[1] Wang F. Characteristics of Low Noise 800MHz Amplifier at Cryogenic Temperature[C]. Beijing. Internal Conference Microwave Technology，2004，991-994

[2]張濤，官伯然.低溫低噪聲放大器的預(yù)修正設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)[J].低溫物理學(xué)報(bào)，2012，34 （6），446-450.

[3]鄭磊.微波寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

[4] Marian W. Pospieszalski. FETs and HEMTs at cryogenic temperatures their properties and use in low-noise amplifiers[J].IEEE Transactions on Microwave ?Theory and Techniques，1988，36（3），552-560.

[5] Wang Guobin， Zhang Xiaoping. A 400 MHz Low Noise Amplifier at Cryogenic Temperature for Superconductor Filter System[J].Journal of Electronic Science and Technology of China，2007，5（3），230-233.