X波段低噪聲放大器設(shè)計分析

趙 云

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

在通信系統(tǒng)中,衡量通信質(zhì)量的一個重要指標(biāo)是信噪比,而改善信噪比的關(guān)鍵就在于降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)。一個具有低噪聲放大器的接收機(jī)系統(tǒng),其整機(jī)噪聲系數(shù)將大大降低,從而靈敏度大大提高。因此在接收機(jī)系統(tǒng)中低噪聲放大器是很重要的部件。

1 電路仿真設(shè)計

該項目的微波低噪聲放大器是利用微波低噪聲場效應(yīng)管在微波頻段進(jìn)行放大。特別需要注意的是,因為場效應(yīng)管都存在著內(nèi)部反饋,當(dāng)反饋量達(dá)到一定強(qiáng)度時,將會引起放大器穩(wěn)定性變壞而導(dǎo)致自激,改善微波管自身穩(wěn)定性采取的是串接阻抗負(fù)反饋法,在場效應(yīng)管的源極和地之間串接一個阻抗電路,構(gòu)成負(fù)反饋電路。實際的微波放大器電路中反饋元件常用一段微帶線代替,相當(dāng)于電感性元件負(fù)反饋,這樣對電路穩(wěn)定性有所改善。

1.1 確定電路形式

噪聲系數(shù)是低噪聲放大器的重要技術(shù)指標(biāo)之一,低的噪聲系數(shù)與低的輸入駐波在低噪聲放大器的設(shè)計中是一對矛盾。該項目低噪聲放大器在設(shè)計中摒棄了通常為實現(xiàn)低輸入駐波采用輸入加隔離器的方法,采用負(fù)反饋放大電路。負(fù)反饋放大電路具有頻帶響應(yīng)寬、輸入輸出駐波小和穩(wěn)定性好等特點。利用PHEMT芯片,應(yīng)用混合集成工藝進(jìn)行設(shè)計,在寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)了低噪聲系數(shù)和低駐波特性。

器件的選用恰當(dāng)與否直接關(guān)系到性能指標(biāo)的優(yōu)劣,寬帶低噪聲放大器最關(guān)鍵的器件就是放大器的基礎(chǔ)——GaAs PHEMT芯片。為滿足高增益指標(biāo),GaAs PHEMT應(yīng)具有盡可能高的跨導(dǎo);同時,為了滿足低的噪聲系數(shù),GaAs PHEMT自身的噪聲系數(shù)應(yīng)盡可能低;由于型譜產(chǎn)品頻段較高,為了避免分布參數(shù)帶來的影響,同時減小體積,GaAs PHEMT選擇采用管芯。

該項目為了兼顧噪聲和增益,所以采用2級放大。第1級放大器的設(shè)計必需是最佳噪聲設(shè)計,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級放大器保證輸出功率和總增益。

1.2 第1級放大器的仿真設(shè)計

經(jīng)過選擇該項目第1級使用Fujits的FHX13X,其噪聲特性比較好,使用2個場效應(yīng)管來進(jìn)行并聯(lián)放大設(shè)計。并聯(lián)放大器的好處在于它的低噪聲特性,而且容易進(jìn)行匹配。為了改善穩(wěn)定性,第1級放大器的2個源極和地之間各串聯(lián)一個RLC諧振電路,并且加入負(fù)反饋,在柵—漏之間加入RL串聯(lián)的反饋電路,這樣雖然會降低增益,增加噪聲,但是會對電路的穩(wěn)定性,增益平坦度,寬帶的實現(xiàn),輸入輸出駐波比有很大改觀。

利用軟件進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖1所示。

圖1 輸入輸出反射系數(shù)仿真結(jié)果

如圖1所示輸入輸出阻抗均完美的匹配好,輸入輸出反射系數(shù)在 7～8 GHz的頻帶內(nèi)均小于-15 dB,在匹配的中心點7.5 GHz其更是達(dá)到了-35.322和-44.042,可以說匹配相當(dāng)好。

如圖2所示,噪聲在7～8 GHz的范圍內(nèi)低于1.1 dB。增益在7.5 GHz的時候為13.954,與預(yù)估值13.955相差無幾,且增益平坦度小于1 dB。

這樣就完成了第1級設(shè)計,輸入輸出阻抗完美匹配,噪聲小于1.1dB,且有良好的增益為13.954 dB。

圖2 第一級噪聲系數(shù)和增益仿真結(jié)果

1.3 第2級放大器的仿真設(shè)計

接下來進(jìn)行功率輸出級的設(shè)計,功率輸出級選用的是Transcom公司的TC1201。偏置方式采用的是自給偏置的方式,將其偏置在4 V 25 mA,做好偏置后生成它的S2P文件,建模并仿真,仿真過程同第1級一樣。接好負(fù)反饋和穩(wěn)定性偏置,并且對器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,由于單靠源級的串聯(lián)電路和柵—漏間的負(fù)反饋電路不足以使得電路在7～8 GHz達(dá)到穩(wěn)定,所以在柵極加入了一個對地并聯(lián)匹配電感,優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 第2級增益仿真結(jié)果

如圖3可知,輸入輸出阻抗匹配良好,且增益最高點為12.449,與預(yù)估的12.463相差無幾。在7～8 GHz的頻帶內(nèi),輸入輸出反射系數(shù)也均小于-20 dB,增益均大于11.5 dB。這樣就完成了第2級功率放大級的設(shè)計。

1.4 兩級級聯(lián)的仿真設(shè)計

接下來將2級級聯(lián)在一起,由于第1級的輸出端和第2級的輸入端均完美的匹配到50 Ω,所以級聯(lián)也沒有什么問題,由圖4可以看出,輸入輸出阻抗匹配方面,在中心點7.5 GHz處,均匹配良好,駐波比在1.086左右。而在7～8 GHz范圍內(nèi),駐波比也均小于2。

圖4 輸入輸出反射系數(shù)和駐波比仿真結(jié)果

從圖5可以得到,增益在中心頻率達(dá)到26.401 dB,在7～8 GHz范圍內(nèi)也均在25 dB以上。噪聲系數(shù)在7.5 GHz為1.007 dB,應(yīng)用頻段內(nèi)的噪聲最大也不超過1.1 dB。

圖5 高級級聯(lián)后的增益及噪聲仿真結(jié)果

1.5 仿真結(jié)果分析

通過仿真結(jié)果可以看出,放大器的輸入輸出駐波比、噪聲和增益等指標(biāo)基本上都合格。從設(shè)計中可以了解使用ADS來設(shè)計低噪聲放大器的基本方法,首先要做的就是偏置電路的設(shè)計,然后用S參數(shù)仿真來進(jìn)行穩(wěn)定性的判斷,若在使用頻段內(nèi)不穩(wěn)定,還需要進(jìn)行穩(wěn)定性的設(shè)計。當(dāng)場效應(yīng)管工作穩(wěn)定后就要對其進(jìn)行阻抗匹配。一般低噪聲放大器的第1級需要良好的噪聲特性,所以第1級的輸入端進(jìn)行最佳噪聲阻抗到50 Ω源負(fù)載的匹配,輸出端進(jìn)行共軛匹配。如果要考慮到第1級的增益輸出不能太低的話,則需要畫出增益圓圖和噪聲圓圖,然后選擇合適的源阻抗值,犧牲一部分噪聲來提高增益。第2級一般為功率輸出級,需要的是最大的增益輸出,所以第2級一般對輸入輸出同時向50 Ω負(fù)載做共軛匹配,在匹配之前,需要算出最佳共軛匹配的ZS和ZL值,這個值只有在電路穩(wěn)定的情況下才唯一存在的。

2級分別設(shè)計,再級聯(lián),由于計算機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化,通常不需調(diào)整就可達(dá)到比較滿意的效果。器件參數(shù)的離散性,以及加工誤差,實際加工出來的結(jié)果有一些微小差異,這就需要在實際調(diào)試中,稍微調(diào)整一下分布參數(shù),就可達(dá)到最佳的效果。

2 結(jié)束語

該放大器利用ADS2008優(yōu)化設(shè)計和仿真,在研制過程中,通過優(yōu)化噪聲系數(shù)、增益和輸入輸出駐波比之間的矛盾,由計算機(jī)調(diào)節(jié)噪聲匹配及負(fù)反饋的深度,改變放大器各指標(biāo)間的相互矛盾,使整個放大器達(dá)到最佳工作狀態(tài),最終實現(xiàn)的放大器噪聲低、增益高、體積小、重量輕,作為接收機(jī)的射頻前端,已經(jīng)在無人機(jī)機(jī)載和地面設(shè)備中得到應(yīng)用。

[1]黃智偉.射頻小信號放大器電路設(shè)計[M].陜西:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.

[2]陳艷華.ADS應(yīng)用詳解—射頻電路設(shè)計與仿真[M].北京:人民郵電出版社,2008.