S波段寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

黃 雷，張曉發(fā)，袁乃昌

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410073）

S波段寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

黃 雷，張曉發(fā)，袁乃昌

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410073）

微波寬帶低噪聲放大器是雷達(dá)、電子對(duì)抗、微波通信及遙測(cè)遙控等接收系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。為滿足高性能微波接收機(jī)系統(tǒng)對(duì)微波低噪聲放大器寬頻帶、低噪聲系數(shù)、高增益和好平坦度等方面的要求。本文利用Infineon公司的BFP740FESD型雙極晶體管，采用純電抗寬帶匹配技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)2～4 GHz寬帶低噪聲放大器（LNA）。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，該放大器在2～4 GHz頻帶內(nèi)，功率增益大于30 dB，噪聲系數(shù)小于1.8 dB，增益平坦度小于3 dB，輸入輸出駐波比小于2，輸出飽和功率大于5 dBm，且工作絕對(duì)穩(wěn)定。

低噪聲放大器；寬帶匹配；噪聲系數(shù)；S波段

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于射頻接收機(jī)的要求越來越高。低噪聲放大器作為射頻前端的重要組成部分，它的增益決定了對(duì)后級(jí)電路噪聲的抑制程度，它的噪聲系數(shù)決定了接收機(jī)的靈敏度，它的工作頻帶決定了接收系統(tǒng)的工作帶寬[14]。如何在保證低噪聲系數(shù)和高增益的前提下，盡量拓寬放大器的工作頻帶，已成為低噪聲放大器研制中的一個(gè)難點(diǎn)。這是因?yàn)槲⒉ňw管的功率增益會(huì)隨著工作頻率的升高而降低，一般是每倍頻程降低6 dB。為了實(shí)現(xiàn)寬帶放大，就必須對(duì)增益的滾降特性進(jìn)行補(bǔ)償，使低頻段增益降低[10]。不過，寬頻帶內(nèi)低頻段增益的降低必然使駐波比變壞，同時(shí)噪聲性能也受到影響。此外，微波管輸入阻抗也隨頻率有很大變化，這將增加寬頻帶匹配電路的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)難度。

1 理論電路分析

1.1 有耗匹配電路

常用的寬頻帶放大器的電路結(jié)構(gòu)大體上有以下5種：平衡式放大器、反饋式放大器、有耗匹配式放大器、有源匹配式放大器[15]。其中有耗匹配電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍器件少，引入的寄生參量低，被廣泛應(yīng)用在寬帶放大器的設(shè)計(jì)之中。

有耗匹配電路是一種可在多倍頻程范圍內(nèi)補(bǔ)償固定的增益滾降，從而獲得平坦增益的電路匹配方式。其具體電路如圖1所示。

圖1 有耗匹配原理圖

電路中，輸入端和輸出端用電阻器件和高特征阻抗的短截線相連。在頻率低端，并聯(lián)線的電長度很短，致使晶體管端接電阻，降低其增益。在頻率高端，短截線有較高電抗（當(dāng)短截線長度為1/4波長時(shí)，其值趨于無窮大），電阻對(duì)于晶體管的影響很小。因此，匹配網(wǎng)絡(luò)不是借助于失配，而是通過引入一個(gè)正斜率的增益線以補(bǔ)償晶體管的增益滾降。有耗匹配放大器具有平坦的增益，良好的輸入輸出匹配和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)[5]。

1.2 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是指在工作環(huán)境（溫度、信號(hào)頻率、源以及負(fù)載阻抗等）變化的情況下，放大器依然能保持正常工作的能力。對(duì)于一個(gè)不穩(wěn)定的放大器而言，一些不可避免的寄生因素或是放大器直流參數(shù)的任何細(xì)小變化都會(huì)引起它在某頻率上產(chǎn)生強(qiáng)烈的自激振蕩，其典型的表現(xiàn)就是在無輸入功率時(shí)有功率輸出。這樣的情況下，放大器是不能正常的工作的，因此在設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)，必須使其絕對(duì)穩(wěn)定工作。一個(gè)微波射頻管絕對(duì)穩(wěn)定條件是[5]：

其中，D=S11S22-S12S21。K為穩(wěn)定性判別系數(shù)，K＞1是穩(wěn)定狀態(tài)。只有當(dāng)3個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器時(shí)絕對(duì)穩(wěn)定的。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 器件選型

有源微波固態(tài)電路的整體性能主要由所選擇器件的基本性能參數(shù)所決定。故選擇一款符合設(shè)計(jì)要求且性能優(yōu)異的微波低噪聲放大管，已成為設(shè)計(jì)優(yōu)良電路的基本前提。英飛凌科技公司（Infineon）是世界知名的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)企業(yè)、制造商和供應(yīng)商。其生產(chǎn)的三極管性能優(yōu)異，穩(wěn)定性高。此電路所使用的三極管BFP740FESD，是一款低噪聲寬帶兩極NPN型射頻晶體管，在無線通信中被廣泛使用。在S頻段內(nèi)，它的噪聲系數(shù)最低為0.7 dB，最大增益為20 dB，性能優(yōu)異可靠。而且它的成本非常低，體積也很小，技術(shù)成熟。綜合以上優(yōu)點(diǎn)和特征，選用這款三極管進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

2.2 寬帶匹配電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有耗匹配結(jié)構(gòu)放大器是通過對(duì)增益高的低頻段增加電阻性損耗，來改善放大器的增益平坦度，增大工作帶寬，提高器件的穩(wěn)定性[2]。但是，由于電阻性元件的引入，會(huì)降低晶體管的輸出功率，增加放大器的噪聲系數(shù)和駐波系數(shù)[12]（VSWR）。為了解決此問題，就必須優(yōu)化有耗匹配的電路結(jié)構(gòu)，將電阻性元件去除，利用微帶線對(duì)射頻信號(hào)的損耗來代替電阻，在晶體管的輸入/輸出端使用純電抗（電容、電感和微帶線）匹配網(wǎng)絡(luò)[3]。這樣可以提供適中的帶寬、優(yōu)良的噪聲性能和功率性能。具體原理如圖2所示。

圖2 帶有增益補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的兩級(jí)放大器原理圖

在本低噪聲放大器中，采用兩級(jí)晶體管級(jí)聯(lián)來提高增益[11]，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)是按最佳噪聲系數(shù)來設(shè)計(jì)的，級(jí)間匹配是按平穩(wěn)增益來設(shè)計(jì)的，輸出匹配是按最大的輸出功率來設(shè)計(jì)的，同時(shí)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)在工作頻段的高端用最小的損耗來進(jìn)行增益補(bǔ)償[4]。

2.3 電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

對(duì)于S波段的低噪聲放大器，由于低頻增益較高，很容易產(chǎn)生自激。為了保證放大器在全頻帶內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定工作，就要采取相應(yīng)的措施，使其穩(wěn)定系數(shù)滿足k＞1。在本設(shè)計(jì)中，采用發(fā)射極串聯(lián)負(fù)反饋電感的形式提高放大器的穩(wěn)定性，因?yàn)榘l(fā)射極負(fù)反饋可以有效降低低頻增益和提高低頻駐波性能，而且不會(huì)惡化噪聲。由于反饋電感太小，實(shí)際的分立電感很難做到。且實(shí)際分立電感本身的誤差和寄生參數(shù)對(duì)電路的影響很大，故利用接地微帶線的電感效應(yīng)來代替[13]。其等效公式如式2所示[1]：

式中，l是微帶線的長度（單位inch）；L是電感值（nH）；Z0是微帶線的特征阻抗。

反饋電感的反饋量主要由微帶線的長度決定，如果反饋量過小對(duì)穩(wěn)定性改善不大，如果反饋量過大則會(huì)引起高頻的不穩(wěn)定。

2.4 電路仿真設(shè)計(jì)和制作

利用ADS軟件完成寬帶低噪聲放大器的仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化[6]，并制作電路如圖3所示。

圖3 低噪聲放大器硬件電路

3 實(shí)物測(cè)試及分析

3.1 S參數(shù)測(cè)試

利用Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)低噪聲放大器進(jìn)行S參數(shù)測(cè)試，在輸入功率為-30 dBm時(shí)S參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如圖4所示[8]。

圖4 S參數(shù)曲線

測(cè)試結(jié)果顯示，該低噪聲放大器在S頻段內(nèi)，增益G分布在30～33 dB之間，輸入反射系數(shù)S11＜-9.5 dB（駐波系數(shù) VSWR＜2），輸出反射系數(shù) S22＜-15 dB。

3.2 線性特性測(cè)試

利用Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和固定功率衰減器改變輸入功率，觀察曲線S21的變化，通過計(jì)算可間接得到低噪聲放大器的輸出功率。記錄測(cè)試數(shù)據(jù)并處理，得到結(jié)果如圖5和圖6所示[7]。

圖5 3GHz處放大器功率壓縮曲線

圖6 1dB壓縮點(diǎn)隨頻率變化曲線

由測(cè)試結(jié)果可知當(dāng)放大器工作在線性區(qū)域時(shí)，所有輸入信號(hào)會(huì)得到基本相同的功率增益。但隨著輸入信號(hào)功率的不斷增加，放大器的增益會(huì)逐漸下降直到飽和。加上測(cè)試電纜的損耗可得此放大器在S波段的飽和輸出功率在5 dBm以上。

3.3 噪聲系數(shù)測(cè)試

利用R&S公司的頻譜儀和Agilent公司型號(hào)為346C的噪聲源對(duì)設(shè)計(jì)的低噪放進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 噪聲系數(shù)隨頻率變化曲線

由測(cè)試結(jié)果可知，此低噪聲放大器在S頻段的噪聲系數(shù)在1.8 dB以下，而且大部分頻段的噪聲系數(shù)都比較?。?.5 dB以下），噪聲性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

微波晶體管放大器具有寬頻帶、穩(wěn)定性好、噪聲性能好、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。頻率小于4 GHz時(shí)一般用雙極晶體管，而頻率高于4 GHz時(shí)雙極晶體管就不再適合[9]，因?yàn)槠湓鲆骐S頻率的增加而迅速降低，而噪聲系數(shù)隨頻率的增加而迅速增加，此時(shí)一般用微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管。利用改進(jìn)型的有耗匹配電路（電抗性匹配）技術(shù)，可以在拓寬放大器工作帶寬的同時(shí)提供優(yōu)良的噪聲性能和功率性能。本論文使用雙極晶體管，并經(jīng)過改進(jìn)的有耗匹配電路設(shè)計(jì)成的低噪聲放大器，具有高增益、低噪聲、寬帶寬、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)?？梢栽赟頻段的射頻接收機(jī)前端中使用。如果能夠改善工藝，實(shí)現(xiàn)它的小型化，它將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

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Design of broadband low noise amplifier in S-Band

HUANG Lei， ZHANG Xiao-fa， YUAN Nai-chang
（College of Electronics Science and Engineering， National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Microwave broadband low noise amplifier plays an important role in the receiver system of radar， electron countermeasures， microwave communication，remote measuring and remote control， and so on.A high performance microwave receiver system have a higher request for low noise amplifier featuring broadband， low noise figure， high gain， and flat response.In order to meet the requirements a 2～4GHzbroadband low noise amplifier（LNA） was designed with pure reactance broadband matching technology by using the Infineon's BFP740FESD bipolar transistor.Test result of LNA shown thatoverall frequency of 2～4 GHzgain is largerthan 30 dB， noise figure is less than 1.8 dB，gain flatnessis less than 3 dB， input and output SWRs are less than 2.To characterize linearity，output saturation power is greater than 5dBm and the amplifier has a stable performance.

low noise amplifier； broadband impedance matching； noise figure； S band

TN722

：A

：1674－6236（2017）15-0158-04

2016-06-06稿件編號(hào)：201606045

黃 雷（1990—），男，河北石家莊人，碩士研究生。研究方向：微波固態(tài)電路。