X波段低噪聲放大器設計分析

趙 云

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

在通信系統中,衡量通信質量的一個重要指標是信噪比,而改善信噪比的關鍵就在于降低接收機的噪聲系數。一個具有低噪聲放大器的接收機系統,其整機噪聲系數將大大降低,從而靈敏度大大提高。因此在接收機系統中低噪聲放大器是很重要的部件。

1 電路仿真設計

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

1.1 確定電路形式

噪聲系數是低噪聲放大器的重要技術指標之一,低的噪聲系數與低的輸入駐波在低噪聲放大器的設計中是一對矛盾。該項目低噪聲放大器在設計中摒棄了通常為實現低輸入駐波采用輸入加隔離器的方法,采用負反饋放大電路。負反饋放大電路具有頻帶響應寬、輸入輸出駐波小和穩定性好等特點。利用PHEMT芯片,應用混合集成工藝進行設計,在寬頻帶范圍內實現了低噪聲系數和低駐波特性。

器件的選用恰當與否直接關系到性能指標的優劣,寬帶低噪聲放大器最關鍵的器件就是放大器的基礎——GaAs PHEMT芯片。為滿足高增益指標,GaAs PHEMT應具有盡可能高的跨導;同時,為了滿足低的噪聲系數,GaAs PHEMT自身的噪聲系數應盡可能低;由于型譜產品頻段較高,為了避免分布參數帶來的影響,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級放大器的設計必需是最佳噪聲設計,即輸入匹配網絡必需是最佳噪聲匹配網絡,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級放大器的仿真設計

經過選擇該項目第1級使用Fujits的FHX13X,其噪聲特性比較好,使用2個場效應管來進行并聯放大設計。并聯放大器的好處在于它的低噪聲特性,而且容易進行匹配。為了改善穩定性,第1級放大器的2個源極和地之間各串聯一個RLC諧振電路,并且加入負反饋,在柵—漏之間加入RL串聯的反饋電路,這樣雖然會降低增益,增加噪聲,但是會對電路的穩定性,增益平坦度,寬帶的實現,輸入輸出駐波比有很大改觀。

利用軟件進行仿真的結果如圖1所示。

圖1 輸入輸出反射系數仿真結果

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

如圖2所示,噪聲在7～8 GHz的范圍內低于1.1 dB。增益在7.5 GHz的時候為13.954,與預估值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 第一級噪聲系數和增益仿真結果

1.3 第2級放大器的仿真設計

接下來進行功率輸出級的設計,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。接好負反饋和穩定性偏置,并且對器件參數進行優化,由于單靠源級的串聯電路和柵—漏間的負反饋電路不足以使得電路在7～8 GHz達到穩定,所以在柵極加入了一個對地并聯匹配電感,優化后的仿真結果如圖3所示。

圖3 第2級增益仿真結果

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

1.4 兩級級聯的仿真設計

接下來將2級級聯在一起,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,駐波比也均小于2。

圖4 輸入輸出反射系數和駐波比仿真結果

從圖5可以得到,增益在中心頻率達到26.401 dB,在7～8 GHz范圍內也均在25 dB以上。噪聲系數在7.5 GHz為1.007 dB,應用頻段內的噪聲最大也不超過1.1 dB。

圖5 高級級聯后的增益及噪聲仿真結果

1.5 仿真結果分析

通過仿真結果可以看出,放大器的輸入輸出駐波比、噪聲和增益等指標基本上都合格。從設計中可以了解使用ADS來設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計,然后用S參數仿真來進行穩定性的判斷,若在使用頻段內不穩定,還需要進行穩定性的設計。當場效應管工作穩定后就要對其進行阻抗匹配。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級的輸入端進行最佳噪聲阻抗到50 Ω源負載的匹配,輸出端進行共軛匹配。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定的情況下才唯一存在的。

2級分別設計,再級聯,由于計算機已經進行了參數優化,通常不需調整就可達到比較滿意的效果。器件參數的離散性,以及加工誤差,實際加工出來的結果有一些微小差異,這就需要在實際調試中,稍微調整一下分布參數,就可達到最佳的效果。

2 結束語

該放大器利用ADS2008優化設計和仿真,在研制過程中,通過優化噪聲系數、增益和輸入輸出駐波比之間的矛盾,由計算機調節噪聲匹配及負反饋的深度,改變放大器各指標間的相互矛盾,使整個放大器達到最佳工作狀態,最終實現的放大器噪聲低、增益高、體積小、重量輕,作為接收機的射頻前端,已經在無人機機載和地面設備中得到應用。

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

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