適合批量生產(chǎn)的低噪聲放大組件設(shè)計(jì)

陳 荻，黃曉華，梅 亮

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

低噪聲放大器（LNA）是現(xiàn)代雷達(dá)、射頻通信、電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要部件，在接收系統(tǒng)中它總是處于前端的位置，對整個(gè)系統(tǒng)接收的微弱信號進(jìn)行放大，并降低噪聲的干擾，對整個(gè)接收系統(tǒng)的接收靈敏度和噪聲性能起著決定性作用[1]。隨著高可靠相控陣?yán)走_(dá)的廣泛應(yīng)用，接收支路中低噪聲放大器的需求也日益增大，設(shè)計(jì)出集成度高且適合批量生產(chǎn)的低噪聲放大器非常重要[2]。本文通過對低噪聲放大器的正交橋、FET偏置、電壓轉(zhuǎn)換等要素的設(shè)計(jì)優(yōu)化，充分考慮放大器的可制造性和高可靠性，研制出集成度高、可制造性佳、一致性好的S波段低噪聲放大組件，有效滿足了相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路原理

放大器主要技術(shù)指標(biāo)有噪聲系數(shù)、增益、駐波、動態(tài)范圍等。噪聲系數(shù)與增益在指標(biāo)實(shí)現(xiàn)上相互矛盾，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該折中考慮，理論依據(jù)是：在保證放大器穩(wěn)定的前提下，采用等噪聲系數(shù)圓和等增益圓尋找一個(gè)最佳工作點(diǎn)。

放大器要滿足較好的回波損耗、較低的噪聲系數(shù)、良好的幅頻特性、一致性好等要求，綜合考慮選擇平衡式結(jié)構(gòu)[3]。平衡式放大器能較好地改善增益平坦度，獲得較低的回波損耗，阻抗匹配性能優(yōu)良，并可獲得較高的輸出能力，放大器組件原理如圖1。

圖1 放大器組件原理框圖

2.2 正交橋的選擇

正交橋也叫3dB耦合器，常用的正交橋有兩種：交叉指型電橋[4]和分支電橋[5]。交叉指型電橋又稱為Lange橋，在微波集成電路中有很廣泛的應(yīng)用，它的頻帶可以做到倍頻程或略寬，但是其中細(xì)長的交指耦合線與窄小的耦合間距，一般的印刷工藝很難滿足其精度要求；分支電橋設(shè)計(jì)和制作都相對簡單，電橋每臂長度為λg/4，λg為平均頻率的微帶波長，一般的印刷工藝即能滿足精度要求，但頻帶較窄。考慮到組件帶寬約為10%，綜合性能、工藝、生產(chǎn)效率等多方面因素，選用分支型電橋。通過運(yùn)用奇偶模理論對電路的性能進(jìn)行分析，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真得到了體積小、插入損耗低、性能優(yōu)的圓環(huán)分支電橋。

2.3 限幅開關(guān)衰減器

在有收發(fā)功能的組件中，為了防止發(fā)射功率泄露對前置低噪聲放大器的損壞，需設(shè)計(jì)一個(gè)合適的限幅器[6]。PIN管限幅器分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式，由于并聯(lián)形式具有插入損耗小、散熱好等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用較多。由于單只PIN管自身的限幅能力有限，實(shí)際使用多采用級聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)限幅能力強(qiáng)、反應(yīng)靈敏度高的限幅器。二極管的功率容量和反應(yīng)時(shí)間與本征層厚度有關(guān)，本征層厚，承受功率較大，本征層薄，靈敏度高。PIN管外加直流電流，本征層阻抗降低，PIN管導(dǎo)通，信號衰減，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)衰減功能[7]。所以選擇本征層較厚的PIN管作為前級，耐受較高的功率；本征層較薄的PIN管作為后級，獲得良好的門限電平和快速響應(yīng)。電路原理圖如圖2所示。

2.4 FET的偏置

場效應(yīng)管的偏置方式有單電源（自偏置）及雙電源形式[8]。本次設(shè)計(jì)采用雙電源形式，并利用三極管的特性有效地使FET的工作狀態(tài)一致，是一種自適應(yīng)的偏置電路。偏置電路原理圖如圖3所示。

圖2 限幅開關(guān)衰減器原理圖

圖3 有源偏置原理圖

不難看出，Vds≈Vb+0.6V，Id=（5-Vds）/Rd，Vg通過Q1可以自動調(diào)整到合適的值，而Vb可以通過Rb1及Rb2確定[9]。采用這種偏置電路，即使場效應(yīng)管工作點(diǎn)的離散性及批次性差異很大，也能夠保證每個(gè)FET有一致的工作點(diǎn)，無需調(diào)整電路元器件參數(shù)。使用該方法能自動調(diào)整FET工作點(diǎn)、一致性好，省去FET管工作點(diǎn)調(diào)試步驟，減少因FET管工作點(diǎn)差異引起的其他指標(biāo)的不一致，從而大大提高調(diào)試生產(chǎn)效率。

2.5 電壓轉(zhuǎn)換

由于采用了雙電源偏置，組件電源部分需增加電壓轉(zhuǎn)換這個(gè)功能電路。由于FET工作時(shí)柵電流很小，所需的負(fù)電流也很小，設(shè)計(jì)采用單穩(wěn)觸發(fā)器組成正負(fù)變換電路。正負(fù)變換電路的電原理圖如圖4所示。

單穩(wěn)觸發(fā)器與R、C構(gòu)成振蕩電路[9]。振蕩頻率約為2/RC，設(shè)計(jì)頻率為100kHz。振蕩輸出方波經(jīng)二極管整流得到負(fù)壓。該電路使用元器件少，采用SMT技術(shù)，工藝實(shí)現(xiàn)簡單。

2.6 電路仿真

對于有一定帶寬的低噪放設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是在一個(gè)頻點(diǎn)上根據(jù)給定的增益，在史密斯圓圖上做等增益圓，再在等噪聲圓族上找出與之相切的等噪聲系數(shù)圓，確定對應(yīng)最小的等噪聲系數(shù)，然后再在其他頻率點(diǎn)上重復(fù)該過程，以確定放大器能否在整個(gè)帶寬內(nèi)同時(shí)滿足所要求的增益和噪聲系數(shù)指標(biāo)。得到最初值后，可在各種微波EDA軟件中進(jìn)行優(yōu)化，比如ADS、MWO、Designer等，這些軟件在尋找最優(yōu)值時(shí)的共同點(diǎn)都是做小信號的仿真，只需告訴軟件管芯的小信號S參數(shù)和不同頻率下與噪聲相關(guān)的參量。

該放大器采用兩級FHX35LG級聯(lián)，選用Rogers4003介質(zhì)板。通過軟件優(yōu)化電路拓?fù)涞贸龈麟娐穮?shù)，軟件模擬結(jié)果如圖5所示。模擬結(jié)果為：場效應(yīng)管在指定的放大器增益在28.4dB左右，增益起伏為0.2dB，噪聲系數(shù)約為1.2dB，工作條件為室溫，最佳工作點(diǎn)：VD=3V，ID=15mA。

2.7 工藝結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化

為了確保產(chǎn)品的高可靠性、一致性和可生產(chǎn)性，從以下兩方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.7.1 雙電源偏置電路

在單電源自偏電路中FET的柵極通過電感接地，源極通過平板電容與電阻并聯(lián)接地[10]。該方法雖然電路簡單，但是平板電容裝配工藝復(fù)雜，而且平板電容的電極易損壞，不易返修。采用雙電源后無需裝配平板電容，所有元器件可使用表面貼裝技術(shù)，通過回流焊燒結(jié)一次裝配完成，工藝簡單、返修方便。

2.7.2 介質(zhì)板大面積焊接

介質(zhì)板采用絲網(wǎng)印刷工藝大面積焊接在機(jī)殼上，保證了放大組件接地的連續(xù)性，使得組件性能穩(wěn)定，提高了產(chǎn)品性能的一致性和生產(chǎn)效率。

3 試驗(yàn)結(jié)果

基于電路仿真結(jié)果，通過一系列的設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終在Rogers4003介質(zhì)板上制作出S波段低噪聲放大器，經(jīng)過調(diào)試，組件的增益、駐波等指標(biāo)如下：增益28.5dB，增益起伏小于±0.2dB，輸入輸出駐波小于1.3，噪聲1.7dB，組件間的相位一致性小于3°，從圖5和圖6可以看出，實(shí)測數(shù)據(jù)和仿真基本一致。通過實(shí)際仿真和實(shí)測結(jié)果對比可以看出一致性非常好，可以用來指導(dǎo)大批量生產(chǎn)。試制了6只產(chǎn)品，調(diào)試方法簡單，一致性很好。

圖5 平衡式放大器優(yōu)化仿真結(jié)果

圖6 實(shí)測數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

通過對低噪聲放大器的正交橋、FET偏置、電壓轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)工藝等要素的設(shè)計(jì)優(yōu)化，放大組件性能穩(wěn)定，指標(biāo)優(yōu)良，設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品性能可靠、指標(biāo)一致性好，工藝簡單高效、調(diào)試方便，提高了生產(chǎn)效率，滿足了大批量生產(chǎn)的要求。

[1]弋穩(wěn).雷達(dá)接收技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]何川，孫玉發(fā)，賈世紅.X、Ku波段寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)篇），2011，34（10）：1510-1513.

[3]丁君，張龍.Ku波段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[J].火力與指揮控制，2009（11）：158-161.

[4]O.smani R M.Synthesis of Lange couplers[J].Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactionson.1981,29(2): 168-170.

[5]王勝源，李玉山，曹劍中.新型環(huán)形分支電橋的全波分析和精確設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，2008，24（增刊）：137-140.

[6]張海偉，史小衛(wèi)，徐樂，等.高功率PIN限幅器設(shè)計(jì)及測試方案[J].強(qiáng)激光與粒子束，2011，23(11)：3029-3032.

[7]顧其諍，項(xiàng)家楨，彭孝康，等.微波集成電路設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，1978.

[8]I.Gil;I.Cairo.Low-power single-to-differential LNA at S-band based on optimised transformer topology and integrat ed,2008(31):198-201.

[9]馮軍，謝嘉奎.電子線路-線性部分[M].北京：高等教育出版社.

[10]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko，王子宇，張肇儀，徐承和，等譯.射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.