應用于太陽黑子觀測的低噪聲放大器設計

東南大學信息科學與工程學院 王雪晴 曹振新 孟 橋 苗 澎

應用于太陽黑子觀測的低噪聲放大器設計

東南大學信息科學與工程學院 王雪晴 曹振新 孟 橋 苗 澎

應用于太陽黑子觀測的深空接收機頻率在短波和超短波段，該波段干擾和噪聲非常密集。低噪聲放大器是深空接收機系統中最重要的模塊之一。本文討論了深空探測接收機的噪聲來源，并主要從前端降噪的角度出發，研究了低噪聲放大器的設計與實現，此外為后端降 噪給出了方案。本文所設計的低噪放工作頻率為10MHz～100MHz。測試結果表明，低噪放增益為50dB，噪聲系數小于2.70dB，最小噪聲系數為2.1dB，能夠滿足深空探測系統的需求。

射電天文；降噪；低噪聲放大器

1.引言

太陽黑子的觀測系統具有接收系統共同的特征，由天線、接收機和數據處理部分組成。天線是采用對稱加載偶極子方式設計的，駐波(VSWR)在15MHz～100MHz頻率范圍內小于3。

太陽黑子的觀測屬于低頻甚低頻段（10MHz～100MHz），該頻段內的無線電波是短波和超短波。短波頻率范圍通常在1.6MHz～30MHz之間，世界上許多國家利用短波頻率來進行世界范圍的廣播傳輸。可見，在10MHz～100MHz的頻率范圍內，噪聲、干擾非常多。在觀測太陽黑子等深空目標時，應盡力避開或減小這些干擾和噪聲。而對于一些接收機不能避免的噪聲，應在后級通過軟件處理來消除。

目前國內對低噪放的研究已有不少，但是覆蓋10MHz～100MHz范圍的不多。10MHz～100MHz是短波和超短波段，干擾密集，隨機性大。該系統的相對帶寬達到1.6，遠大于美國聯邦通信委員會提出的“超寬帶”相對帶寬0.2的標準。超寬帶會帶來輸入噪聲迅速增加、限制高靈敏度的問題；同時，超寬帶會有較強的窄帶干擾(NBI)，強窄帶干擾會淹沒信號，限制動態范圍。因此，有必要對短波、超短波段的低噪放進行研究。

本文就接收系統的前級和后級降噪進行了一些研究。

2.前端降噪——低噪聲放大器設計

接收機的前端是一個低噪聲放大器。根據系統級聯的噪聲公式，前級的噪聲系數對整個接收機系統的噪聲有著決定性作用。整個系統的噪聲系數基本上取決于第一級的噪聲系數。因此往往選用最佳噪聲匹配的原則進行設計。

2.1 設計指標

頻率范圍：10MHz～100MHz

增益：50dB

噪聲系數：NF<2.5dB

回波損耗：S11<-10dB

2.2 方案設計

2.2.1 芯片選型

本設計采用三級放大的方式，為滿足NF≤1.5dB的要求，第一級的噪聲系數特別重要。第一級放大器選用mini公司的PMA5453+或者ANALOG公司的ADI5531。兩個芯片各有優點：PMA5453+的噪聲系數明顯比ADL5531低，但是其工作頻率范圍是從50MHz開始。ADL5531畢竟是從20MHz開始，基本能覆蓋本文低噪放的頻率范圍。因此，決定兩個芯片都選用，可以對做出的低噪放板進行比較。

第二、三級芯片選用Hittite公司的HMC478SC70(E)，它的工作頻率能夠覆蓋接收機的范圍，有20dB的固定增益。

2.2.2 芯片外圍電路

三級放大的偏置網絡采用單級供電，結構簡單，便于調整。每級均采用輸出端饋電的方式提供芯片工作電壓。去耦電容用10nF的電容。高增益放大器比較容易自激，在這里板子的尺寸要小于最高頻率的半波長(1.5m)，能夠滿足要求。

2.2.3 基于ADS2009的仿真

利用數據手冊給出的參考電路，在ADS2009平臺下搭建整個低噪放模塊，對三級放大器的S參數和供電偏置電路進行分析、仿真、優化。ADS仿真結果表明，20MHz以后增益平坦度良好。15MHz以后回波損耗較小。

2.3 原理圖繪制與制板

由于涉及增益、噪聲、回波損耗等指標，直接計算比較復雜。使用ADS進行參數優化， 最終得到電路圖如圖1所示。

2.4 實際測試及分析

2.4.1 測試儀器

Agilent E5071B網絡分析儀

Agilent N8975A噪聲系數測試儀

2.4.2 空間頻譜

了解測試環境中的頻譜分布很有必要。將頻譜儀的輸入接一根電纜，電纜的另一頭接一段電線（長1.5m左右）作為天線，接收空中的無線電信號。所測得的頻譜圖如圖2所示。

掃頻范圍設為5MHz～110MHz，圖中顯示的峰值出現在101MHz，功率為-52dBm。在90MHz～100MHz區間里面，頻率干擾較多。這里的干擾多為廣播信號。為避開這些干擾，考慮將低噪放板放入屏蔽盒內。

2.4.3 實物 圖

低噪放板的實物圖如圖3所示。

2.4.4 S參數的測量

這里為防止儀器飽和損傷，在輸出端加上了20dB衰減器，故真實增益值應為測試值加上20dB。由圖4、圖5可以看出：

兩塊板增益值均在39dB～55dB，能達到指標要求；低頻時時的S11較大，其中以PMA5453+為第一級的低噪放板在13MHz時S11≈-3dB，而以ADL5531為第一級的低噪放板S11單調遞減，最大值出現在10MHz處，為-4.29dB，大概在27MHz時減小到-10dB以下。這在工程當中是比較實用的。

以PMA5453+ 為第一級的低噪放S參數測試結果如圖4所示。

以ADL5531 為第一級的低噪放S參數測試結果如圖5所示。

圖1 低噪放模塊版圖

圖2 空間頻譜

圖3 低噪放實物圖

圖4 實測S參數(PMA5453+)

圖5 實測S參數(ADL5531)

圖6 實測噪聲系數（PMA5453+）

圖7 實測噪聲系數（ADL5531）

2.4.5 噪聲系數的測量

噪聲系數分析儀與網絡分析儀增益的定義不同。噪聲系數分析儀中增益定義為信噪比增益，而網絡分析儀中增益定義為電信號的增益。因此兩者計算出的增益值有一定的出入。其中圖7是在輸出端接入20dB衰減之后測的，因此真實增益值應加20dB。

由圖6、圖7可以看出：

⑴圖6的測試環境中有干擾，未裝盒的低噪放板不能克服這些干擾；

⑵以PMA5453+為第一級的低噪放板在頻率較低時噪聲系數較大，而以ADL5531為第一級的低噪放板噪聲系數曲線在工作頻段內比較平坦，數值也小，優于PMA5453+板。

以PMA5453+為 第一級的低噪放噪聲系數測試結果，如圖6。

以ADL5 531為第一級的低噪放噪聲系數測試結果，如圖7。

3.后端降噪

雖然人們已經知道太陽黑子爆發平均活動周期為11年，但是黑子的爆發時刻預報很難做到很準。我們考慮對空間頻譜進行實時記錄的方法，在射電波段觀測黑子。首先掌握正常情況下的空間頻譜，這包括10MHz～100MHz的各類廣播電臺。只有對這些電臺的分布、強度變化規律了解之后，才能及時發現異常，再針對有異常情況的頻譜來進行分析。

后端降噪的工作尚未開展，擬采用以下方法進行：

⑴根據已經掌握的短波、超短波電臺的情況，實時監測所接收信號的頻譜；設計專用濾波器，剔除相應頻點；

⑵利用噪聲信號均值為0的特性，在時域上求平均、各通道值求平均；

⑶進行相關處理。

4.工作總結

本文就低頻甚低頻深空探測接收機的降噪問題進行了探討。已經完成了低噪聲放大器的設計，并設計了后端降噪的方案。低噪聲放大器在20MHz～100MHz的帶寬內能夠達到增益50dB以上，增益平坦度良好。噪聲系數在20MHz～90MHz之間為2.1dB，能夠滿足接收機的觀測需求，為深空探測接收機的進一步研究做好了準備。

[1]肖勇,樊勇,閆鴻,等.0.5～3.3GHz超寬帶低噪聲放大器設計[J].電訊技術,2009,49(12):105-108.

[2]葛廣頂,康紅艷,李思敏.0.35～2.5GHz超寬帶低噪聲放大器的設計[J].微計算機信息,2008,24(3-2).

[3]韓冰,劉瑤.3.1～10.6GHz超寬帶低噪聲放大器的設計[J].電子質量,Electronics Quality,2012.01.

[4]華明清,王志功,李智群.0.18-μm CMOS3.1-10.6GHz超寬帶低噪聲放大器設計[J].電路與系統學報,2007.01.

[5]陳國東,超寬帶無線通信系統及若干關鍵技術研究[D].北京郵電大學博士研究生學位論文,2007.5.

[6]Zhengjing Huang,Xiaolin Zhang,Xiaoming Chang.The design and implementation of signal reconnaissance receiver based on FPGA[J].2010 International Symposium on Intelligence Information Processing and Trusted Computing,DOI 10.1109/IPTC.2010.32.