一種0.03~1.7 GHz超寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與制作

張帥

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫214072）

一種0.03~1.7 GHz超寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與制作

張帥

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫214072）

為了降低接收機(jī)前端的噪聲，設(shè)計(jì)了一種超寬帶低噪聲放大器。選用噪聲較小、增益較高且工作電流較低的放大管，利用負(fù)反饋和寬帶匹配技術(shù)，結(jié)合ADS和HFSS微波軟件輔助設(shè)計(jì)，放大器在30 MHz~1700 MHz范圍內(nèi)，增益大于31 dB，平坦度小于±0.5 dB，噪聲系數(shù)小于2.3 dB，駐波比小于1.6。

超寬帶；低噪聲放大器；負(fù)反饋；寬帶匹配

1 引言

隨著光纖通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通訊、電子對(duì)抗、微波測(cè)量?jī)x器向著更高的工作頻段發(fā)展，通信質(zhì)量和帶寬的問(wèn)題受到越來(lái)越廣泛的重視。信噪比是衡量通信質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)（NF）是改善信噪比的關(guān)鍵所在。低噪聲放大器（LNA）主要用于射頻微波電路接收前端，對(duì)微弱的接收信號(hào)進(jìn)行放大，其性能的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)接收鏈路的噪聲系數(shù)、靈敏度和線性度等重要指標(biāo)。LNA設(shè)計(jì)的基本要求是極低的NF、較高的增益、良好的穩(wěn)定性和較好的增益平坦度。各項(xiàng)指標(biāo)之間的折中選擇是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。利用ADS2008和HFSS微波CAD軟件，設(shè)計(jì)了一種超寬帶低噪聲放大器，在大于20個(gè)倍頻程的工作頻帶內(nèi)，具有良好的NF、增益及平坦度。

2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)寬帶放大器時(shí)關(guān)鍵是采用合理的措施補(bǔ)償6 dB/倍頻程的增益滾降，且保證整個(gè)頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性，所以要考慮寬頻帶阻抗匹配及選擇恰當(dāng)?shù)碾娐沸问絒2]。寬帶放大器目前主要有分布放大器、平衡放大器、有耗匹配放大器、負(fù)反饋放大器。而負(fù)反饋放大器相比于前幾種，以增加少量噪聲為代價(jià)，在寬頻帶內(nèi)能獲得較好的增益平坦度和端口駐波系數(shù)，因而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

放大器的要求是：工作頻段30 MHz~1700 MHz，增益大于31 dB，增益平坦小于±0.5 dB，噪聲系數(shù)小于2.3 dB。綜合考慮采用負(fù)反饋形式效果最佳，所以采用負(fù)反饋的形式。采用兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)。第1級(jí)放大器的設(shè)計(jì)必需是最佳噪聲設(shè)計(jì),即輸入匹配網(wǎng)絡(luò)必需是最佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò),不必追求最大增益;第2級(jí)放大器保證輸出功率和總增益[3]。采用負(fù)反饋設(shè)計(jì)，增加帶寬。1級(jí)和2級(jí)中間增加電感和電阻結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償電路，調(diào)整增益平坦度。

2.1 器件選取與偏置電路

兩級(jí)放大電路均選用AVAGO公司的ATF54143晶體管，具有很低的噪聲、高增益、高線性度、工作電流小、供電方式簡(jiǎn)單等特性，此外，它的靜態(tài)工作點(diǎn)較穩(wěn)定，不易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。與耗盡型晶體管相比，它不需要給柵極供負(fù)電壓，可以簡(jiǎn)化PCB布板的復(fù)雜性，適用于本設(shè)計(jì)。在2 GHz以下，增益為16.6 dB，S11和S22均優(yōu)于-10 dB，P1dB均大于16 dB，其NF<0.9 dB。偏置電路見圖1。

圖1 ATF55143偏置電路

兩級(jí)放大均是單極供電。偏置電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易調(diào)整。扼流電感用4.7 μH的繞線電感，耦合電容用COMPEX公司的100 pF芯片電容。

2.2 穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)

因?yàn)楦咴鲆娣糯笃鞅容^容易自激，所以電路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)必不可少，此外在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上及裝配工藝上都要考慮穩(wěn)定性因素。放大器腔體的橫向?qū)挾纫∮谧罡哳l率的半波長(zhǎng)，以避免產(chǎn)生腔體效應(yīng)。可用HFSS軟件仿真，優(yōu)化腔體尺寸。在實(shí)際調(diào)試中，必要時(shí)，腔體的上蓋還要貼錫箔材料或者微波吸收材料，以減小空間耦合引起的增益起伏。在版圖空白處添加通孔接地，一方面為了保證散熱和接地效果良好，另一方面是方便調(diào)試。該放大器在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮可裝配性，基片燒結(jié)時(shí)需用壓塊將射頻基片壓緊在腔體上，防止基片燒結(jié)空洞，影響傳輸線阻抗。在設(shè)計(jì)基片時(shí)，應(yīng)考慮基片接地效果良好，所以在基片適當(dāng)?shù)胤椒胖眠m量的接地孔和螺釘孔，并把接地孔和螺釘孔的孔壁金屬化，使得整個(gè)基片接地良好[4]。

電路基板選用Rogers’公司的5880，其介電常數(shù)為2.2，厚度為0.19 mm，銅箔厚度為0.5 oz。

2.3 負(fù)反饋電路設(shè)計(jì)

如圖2采用負(fù)反饋的設(shè)計(jì)來(lái)控制各指標(biāo)的平衡。負(fù)反饋以犧牲放大器的增益為代價(jià)，可以減小晶體管兩端口的S11和S22的幅度，使得寬帶匹配更容易實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)低頻穩(wěn)定性。通過(guò)負(fù)反饋來(lái)改善增益平坦度和端口駐波，同時(shí)兼顧電路的穩(wěn)定性[5]。

圖2 負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)

漏極和柵極之間的負(fù)反饋電路由電阻、電容、電感組成。電阻采用一定阻值的薄膜電阻，耦合電容起隔直作用，容值取100 pF，電感選用直徑25 μm的金絲在準(zhǔn)0.2 mm的漆包線上繞制而成。

要使晶體管能實(shí)現(xiàn)放大功能，必須保證Vds和Vgs在正常范圍內(nèi)，此時(shí)源級(jí)直接接地。源極電勢(shì)為0 V，漏極和源極之間就能形成電勢(shì)差Vds；柵極和源極之間就能形成電勢(shì)差Vgs。

2.4 匹配電路設(shè)計(jì)

低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)（NF）、增益（Gain）、增益平坦度（△G）以及電壓駐波比（VSWR）主要取決于電路的匹配。兩級(jí)低噪聲放大電路的輸入匹配應(yīng)按最佳噪聲設(shè)計(jì)，輸出電路匹配到50 Ω，實(shí)現(xiàn)最佳功率匹配。同時(shí)，應(yīng)兼顧到增益平坦度的要求。

2.5 電路優(yōu)化

利用ADS2008軟件，首先對(duì)ATF54143的單片放大器進(jìn)行分析，確保單片放大器的噪聲參數(shù)和S參數(shù)達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)，之后級(jí)聯(lián)兩片放大器，再次對(duì)整個(gè)鏈路進(jìn)行優(yōu)化分析。在優(yōu)化電路時(shí)，應(yīng)包括主要電路的集總參數(shù)元件的分布電感和分布電容，不連續(xù)節(jié)點(diǎn)和金屬孔化等并且需要考慮器件S參數(shù)和噪聲參數(shù)的離散性。由于要同時(shí)兼顧噪聲、增益、平坦度和駐波比等指標(biāo)，計(jì)算過(guò)程很復(fù)雜，所以借助ADS對(duì)放大器的前后級(jí)匹配電路和整體性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化。

3 電路調(diào)試

根據(jù)以上優(yōu)化仿真的結(jié)果參數(shù)，在ADS中確定電容、電阻值以及芯片的具體位置和焊接距離，用Microstrip計(jì)算微帶線的長(zhǎng)度和寬度。圖3是放大器裝配好后的實(shí)物圖。主體尺寸僅為28 mm×25 mm× 14 mm，體積小重量輕。射頻接口為BJ220型波導(dǎo)，電源接口為Y4-4ZJBM。

圖3 低噪聲放大器實(shí)物圖

進(jìn)行初始態(tài)測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)整體增益偏小，通過(guò)減小圖2中級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的衰減實(shí)現(xiàn)增益的整體上升；由圖4中上側(cè)曲線可見，增益呈現(xiàn)出兩端高中間低的趨勢(shì)，帶內(nèi)平坦度很差，此時(shí)通過(guò)增加圖2中前級(jí)放大器的柵極輸入的電感量，低端增益平坦度有改善，但高端還是很差；當(dāng)電感量增加到最佳值后，指標(biāo)反而變差；為了優(yōu)化平坦度，可以嘗試單獨(dú)降低高端增益，調(diào)整圖2中第二級(jí)漏極負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)中的電感得到圖4中的下側(cè)曲線，在1.0 GHz~1.9 GHz頻帶內(nèi)，增益下降了1 dB，從而整個(gè)帶內(nèi)平坦度得到了很大改善。經(jīng)上述的調(diào)試方法，得到在30 MHz~1700 MHz的頻率范圍內(nèi)，增益大于31 dB，帶內(nèi)平坦度為0.8 dB。

圖4 S21的測(cè)試結(jié)果

此低噪聲放大器在設(shè)計(jì)時(shí)著重關(guān)注噪聲，如圖5所示，在整個(gè)頻帶內(nèi)NF<2.3 dB，在50 MHz~1400 MHz（大于20個(gè)倍頻程）內(nèi)NF<1.8 dB。噪聲系數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，兼顧到其他各項(xiàng)指標(biāo)，保留結(jié)果。

圖5 噪聲的測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果（表1）表明，在0.03 GHz~1.7 GHz的超寬帶范圍內(nèi)，增益在33 dB左右，增益平坦小于±0.5 dB，噪聲系數(shù)小于2.3 dB，輸入、輸出駐波小于1.6，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果比較吻合。

表1 超寬帶LNA測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

30 MHz~1700 MHz超寬帶低噪聲放大器采用負(fù)反饋技術(shù)，利用ADS2008和HFSS微波CAD軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用成熟的微電裝工藝制作完成。實(shí)測(cè)得到在大于20個(gè)倍頻程內(nèi)具有噪聲低（＜2.3 dB）、增益高（＞31 dB）、平坦度好（＜±0.5 dB）、工作電流低于120 mA、功耗小、駐波比低（＜1.6）的特點(diǎn)。

[1]肖勇，吳中川，白波，劉杰龍.0.2 GHz~3.2 GHz超寬帶低噪聲放大器的研制[J].信息與電子工程,2011.

[2]潘少祠.2.4 GHz低噪聲放大器的研究[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(4):56-59.

[3]趙云.X波段低噪聲放大器設(shè)計(jì)分析[J].無(wú)線電工程，2011.

[4]錢可偉,田忠.0.1~2.8 GHz超寬帶低噪聲放大器的研制[J].電子元件與材料,2008.

[5]吳鄭磊.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.

Design of 0.03-1.7 GHz Ultra-wideband Low-Noise Amplifier

ZHANG Shuai
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

To reduce the noise of the receiver front end,in the paper an ultra-wideband low-noise amplifier is designed,which selects amplifier tube of low noise,low current and high gain,uses negative feedback and wideband matching technology and combines with ADS and HFSS software.The amplifier in the 30 MHz~ 1700 MHz range obtains the gain greater than 31 dB,the flatness less than±0.5 dB,noise figure less than 2.3 dB, and VSWRlessthan 1.6.

Ultra wideband;low noise amplifier;negative feedback;wideband matching

TN325+.3

A

1681-1070（2017）08-0033-03

張帥（1990—），男，江蘇宿遷人，碩士研究生畢業(yè)，研究方向?yàn)槲⒉ㄆ骷?，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所模塊室從事微波組件設(shè)計(jì)工作。

2017-5-15