X波段低噪聲放大器設(shè)計(jì)

張勝杰

摘 要：介紹了一款X波段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程。設(shè)計(jì)采用NEC公司的HEMT晶體管NE3515S02制作，放大器采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)，并利用先進(jìn)系統(tǒng)軟件進(jìn)行噪聲、穩(wěn)定性、增益、駐波比等參數(shù)的仿真分析，同時(shí)繪制了電路板，然后使用三維建模軟件 Autodesk inventor設(shè)計(jì)了放大器的殼體。制作的LNA指標(biāo)為：在8.8 GHz～9.6 GHz頻帶內(nèi)，功率增益為22 dB，帶內(nèi)平坦度小于1 dB，噪聲系數(shù)小于1.5 dB，輸入輸出駐波比小于1.5。

關(guān)鍵詞：低噪聲放大器；噪聲系數(shù)；駐波比；仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TN722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

低噪聲放大器（Low Noise Amplifier， LNA）是微波接收系統(tǒng)的核心器件之一，它對(duì)整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的接收靈敏度和噪聲性能起著決定性作用。通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微波放大器也提出了更高的要求。低噪聲，高增益，良好的帶內(nèi)平坦度，足夠的帶寬成為L(zhǎng)NA越來(lái)越嚴(yán)格的指標(biāo)[1，2]。

1 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

LNA的設(shè)計(jì)主要包括：放大器指標(biāo)的確認(rèn)，晶體管選擇，晶體管直流參數(shù)分析，穩(wěn)定性分析，輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)，級(jí)間匹配電路設(shè)計(jì)，偏置電路的設(shè)計(jì)，原理圖和版圖的聯(lián)合仿真以及電路板制作與電路調(diào)試等。

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)與器件選擇

本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器期望指標(biāo)如下：工作頻率8.8GHz～9.6 GHz，增益22 dB，噪聲系數(shù)小于1.5 dB，輸入輸出駐波比小于 1.5。

通過(guò)閱讀各大器件公司的設(shè)計(jì)手冊(cè)，最終選用NEC公司的砷化鎵異質(zhì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管NE3515S02。在經(jīng)過(guò)適當(dāng)匹配的情況下，在12 GHz下噪聲指標(biāo)為0.5 dB。由于其良好的噪聲性能和帶內(nèi)平坦度，尤其適于工作頻段為在2 GHz～18 GHz的低噪聲放大器?；捎肦ogers公司的4350B，其相對(duì)介電常數(shù)εr=3.38，厚度h=0.508 mm，銅箔厚度T=0.035 mm。

1.2 偏置電路設(shè)計(jì)

偏置電路的設(shè)計(jì)是影響低噪聲放大器性能的一個(gè)主要因素。偏置電路不僅能提供管芯所需的穩(wěn)定電壓和最大電流，使管芯穩(wěn)定工作，同時(shí)可以濾除由管芯產(chǎn)生的各種高低頻信號(hào)和諧波，起到信號(hào)隔離的作用[3]。

偏置電路包含電源濾波模塊，電壓轉(zhuǎn)化模塊，射頻濾波模塊，通過(guò)閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)得到晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)為Vds=2 V，Ids=60 mA，Vgs=-0.8 V，晶體管需要采用常用的正負(fù)5 V雙電源進(jìn)行供電，為保證其正常工作，需要對(duì)供電電路進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化，并對(duì)電源信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以減小電源信號(hào)中的諧波分量對(duì)放大器噪聲的影響，同時(shí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波電路，防止射頻信號(hào)通過(guò)偏置電路向外泄露[4]。偏置電路示意圖如圖1所示。

2 穩(wěn)定性分析與匹配電路設(shè)計(jì)

2.1 穩(wěn)定性分析

要使放大器在頻帶范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，需要對(duì)放大器進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。如果放大器存在潛在的不穩(wěn)定情況，有可能導(dǎo)致放大器自激振蕩從而燒壞晶體管。因此必須保證放大器在 工作頻帶內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定[5]。放大器的絕對(duì)穩(wěn)定條件可以用穩(wěn)定系數(shù)K來(lái)描述：

2.2 匹配電路設(shè)計(jì)

圖3所示是微波器件的二端口網(wǎng)絡(luò)框圖[1]，其中，Γ1，Γ2分別為輸入，輸出反射系數(shù)，ΓS，Γl分別為信源和負(fù)載的反射系數(shù)，輸入匹配電路主要考慮放大器的噪聲系數(shù)

匹配網(wǎng)絡(luò)的作用不僅可實(shí)現(xiàn)源與負(fù)載間的理想功率傳輸，還具有減小噪聲干擾、提高功率容量和提高頻率響應(yīng)的線性度等功能。設(shè)計(jì)時(shí)，輸入匹配電路按照最小噪聲匹配，級(jí)間電路按照最大功率傳輸進(jìn)行匹配，在兼顧最小噪聲、信號(hào)增益、輸入輸出回波損耗以及帶內(nèi)平坦度的前提下， 還可對(duì)原理圖進(jìn)行整體的仿真優(yōu)化。

3 優(yōu)化仿真與測(cè)試

3.1 聯(lián)合仿真及優(yōu)化

在ADS設(shè)計(jì)中，原理圖的仿真并沒(méi)有考慮微帶線，微帶線拐角，電路焊盤(pán)，接地孔，平行微帶等因素的電磁效應(yīng)，這些因素會(huì)對(duì)放大器的性能產(chǎn)生很大影響。為了創(chuàng)建精確的仿真模型，需要對(duì)放大器進(jìn)行電磁聯(lián)合仿真，創(chuàng)建電路的實(shí)際布局模型，將原理圖仿真中使用的理想電容、電感、電阻用實(shí)際模型取代，并對(duì)聯(lián)合仿真進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 測(cè)試與調(diào)試

放大器的介質(zhì)基板選用Rogers 4350B，介電常數(shù)為3.38，板厚0.508 mm，使用Altium Designer 進(jìn)行電路板的繪制，根據(jù)電路板的尺寸，使用三維建模軟件Autodesk Inventor進(jìn)行電路殼體的設(shè)計(jì)，最終電路實(shí)物如圖4所示。

設(shè)計(jì)中，介質(zhì)基板需要充分接地。為保證信號(hào)不向外泄露，需要使用穿心電容穿過(guò)殼體，供電電線使用同軸線，以保證射頻信號(hào)不通過(guò)電線泄露[6]。由于X波段波長(zhǎng)比較短，微帶電路的加工存在一定誤差，同時(shí)由于焊接，SMA接頭，接地孔，外部干擾信號(hào)，殼體諧振以及供電電源濾波不充分等因素的影響，實(shí)際測(cè)試的LNA性能與聯(lián)合仿真的結(jié)果存在差異，為此，可使用調(diào)試塊對(duì)微帶線寬和線距進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)在殼體內(nèi)部添加一塊銅皮，以破壞腔體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得腔體的諧振頻率在8.8 GHz～9.6 GHz范圍以外，最終使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際測(cè)試電路的增益為22 dB，增益平坦度小于1 dB，輸入輸出駐波比小于1.5，噪聲小于1.5 dB，從而達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)使用Agilent公司推出的ADS軟件，成功設(shè)計(jì)了一款工作在X波段的低噪聲放大器，工作頻率為8.8GHz～9.6 GHz，輸入輸出駐波比均小于1.5，增益為22dB，增益平坦度小于1 dB，噪聲系數(shù)小于1.5 dB，通過(guò)對(duì)放大器殼體的設(shè)計(jì)以及電路的測(cè)試、調(diào)試，深刻理解了微波電路設(shè)計(jì)的理論和方法，設(shè)計(jì)調(diào)試中的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王紅梅，任緬. X波段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（6）：166-168.

[2] Kuo， W.L.， et al. A Low-Power， -Band SiGe HBT Low-Noise Amplifier for Near-Space Radar Applications[J]. Microwave and Wireless Components Letters， IEEE， 2006，16（9）： 520-522.

[3]馬萬(wàn)雄， 陳昌明，張川.X波段低噪聲放大器設(shè)計(jì)[J].電子器件， 2013（1）：64-67.

[4] Xiao-mei， W.， et al. Design of X-band low-noise amplifier for optimum matching between noise and power， in Education Technology and Computer （A）. 2010 2nd International Conference on. 2010， IEEE： Shanghai. . V5-184-V5-188.

[5]潘安， 成浩，葛俊祥.X波段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真[J].現(xiàn)代雷達(dá)， 2014（1）：66-69.

[6]張譯.GaN基X波段低噪聲放大器與E/D模電平轉(zhuǎn)換電路研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)， 2014.