X波段低噪聲放大器的設計

王紅梅，任 緬

（中國電子科技集團公司第五十五研究所 江蘇 南京 210016）

隨著移動通信的不斷發展，低噪聲放大器已廣泛應用于電子接收及雷達系統中。由于其對整個接收系統的接收靈敏度和噪聲性能起著決定性作用，加之近年來高電子遷移率新型晶體管生產的日臻成熟，由該類HEMT晶體管制作的多級低噪聲放大器顯示出了優越的性能。

1 基本原理

放大器的主要指標有：穩定性、噪聲系數（信噪比下降的倍數）、增益、駐波系數（表征輸入輸出匹配情況）。與增益相關的有匹配及穩定系數K。K必須大于1，S11和S22的模必須小于1，才能保證電路的穩定性[1]。對所有微波放大器而言，其設計主要包括穩定性設計、直流偏置設計、輸入、輸出匹配設計。

低噪聲放大器的性能包含低的噪聲系數，合理的增益和穩定性 （指整個工作頻率范圍內不會振蕩）。低噪聲放大器一般都是按最佳噪聲匹配設計，噪聲最佳匹配點并非最大增益點，所以增益比最佳功率匹配（即共軛匹配）時低約2～4 dB。共軛匹配時，信號反射最小，所以輸出功率最大。但有時也有為了降低駐波比VSWR，以犧牲一點點噪聲系數為代價的。根據具體指標要求，電路的設計思路也略有不同。

2 電路設計及仿真

這里我們制作了一種X波段低噪聲放大器，主要是從以下幾方面進行考慮。

2.1 器件和模型的選擇

放大器的核心器件是晶體管。晶體管選擇的考慮因素主要有管子的性能、指標、工作條件及價格等等，這里因為增益、噪聲要求較高，所以選用了高電子遷移率的HEMT管子，其低噪聲性能比GaAs FET管更優越，加上HEMT管已商業化，現已廣泛應用于低噪聲領域。此外，選擇較小Rn（等效噪聲電阻）的晶體管較易獲得較低的噪聲系數，同時得到小的輸入駐波比[2]，Eudyna公司的 FHX76LP在 Vds=2 V，Ids=10 mA的偏置下，Rn僅有 4 Ω；而 FHX35LG 在 Vds=3 V，Ids=10 mA 的偏置下，Rn也僅為 6 Ω。

2.2 穩定性的設計

穩定性設計考慮的主要是抑制放大器的自激振蕩。我們已知放大器電路絕對穩定的充分必要條件如下：

首先我們將晶體管的S2P文件導入AWR仿真環境，如圖1所示。

圖1 晶體管仿真Fig.1 Simulation of transistor

從仿真結果，如圖2所示，可以看出在9～11G Hz，K＜1時，是潛在不穩定的。對于潛在不穩定的管子是不能達到共軛匹配的，因為共軛匹配點就是自激振蕩點，故設計時要使輸入、輸出電路呈現一定程度的失配[3]。若引入有耗元件，如阻性負反饋法，穩定性雖可得到改善，但同時噪聲系數要相應增大[4]，因K接近1，在不增加有耗元件的前提下，可通過輸入、輸出匹配來改善其穩定特性，這里只仿真了FHX76LP的情況，FHX35LG用同樣方式仿真發現也屬于條件穩定，必須有匹配電路。

圖2 穩定系數K Fig.2 Stability factor K

2.3 電路形式的選擇及偏置電路的設計

因為放大器的增益指標較高，一般單管的增益小于15 dB，所以電路采用了兩級放大器級聯來實現。電原理圖如圖3所示。

偏置電路主要是給管子提供一直流工作點，它影響到放大器的噪聲系數和增益特性。對場效應管，IDSS越大，增益越高，但噪聲越差，這里選用的了Eudyna公司的FHX76LP、FHX35LG，單電源供電，都是柵極接地，靜態工作點分別為Vds=2 V，Ids=10 mA和Vds=3 V，Ids=10 mA，這樣可獲得噪聲系數和增益特性的最佳平衡。這里直流饋電采用了λ/4高阻線，其終端用扇形線對高頻短路（具體仿真見2.4節），通過電阻分壓對漏極、源級供電。同時電源進來加了濾波電容，每個管子的偏置也增加了電容去耦，這樣可避免電源噪聲和偏置電阻熱噪聲給器件的噪聲性能帶來影響。

圖3 電原理圖Fig.3 Circiut diagram

2.4 匹配電路優化仿真

匹配電路設計時要兼顧較高的增益和較低的噪聲系數，放大器第一級按最佳噪聲設計，后級則采用使增益最大的共軛匹配設計[5]，對于級間匹配，因需進一步調試優化，所以第一級放大器的S22不能太差，至少要小于-10 dB，否則兩級合并時會嚴重影響輸入、輸出駐波。此外，選擇合適的拓撲結構對低噪放也至關重要！在較高頻率的波段，元件尺寸將于波長相當，此時可用分布參數的元件來實現負載與傳輸線的匹配。本例采用并聯導納拓撲結構，即利用串聯微帶傳輸線進行導納變換，然后并聯一個微帶分支線，微帶線終端開路（或短路），用其輸入導納作為補償導納，以達到電路匹配。仿真時先設置優化目標，再通過Random（隨機法）和Gradient（梯度法）來找到理想結果。在優值設計中，選擇的匹配電路注意要有較大的容差，使之適應工藝參數的調整。圖5～圖7分別是仿真電路拓撲及各參數的仿真結果。

圖4 增益Fig.4 Gain

2.5 試驗結果

通過以上的分析及仿真，我們采用Eudyna公司的FHX76LP和FHX35LG級聯在εr=2.6，h=0.5 mm厚的聚四氟乙烯板上制作的X波段低噪聲放大器，經過調試，取得了以下指標：在頻帶內增益大于22 dB，噪聲系數小于1.5 dB，輸入輸出駐波比小于1.7。

圖5 輸入、輸出駐波Fig.5 Input and output VSWR

圖6 穩定系數KFig.6 Stability factor K

圖7 噪聲系數Fig.7 Noise figure

3 結 論

從上面試驗結果發現，除噪聲外，其余指標與仿真結果出入不大，究其原因有以下幾點：1）因為是單電源供電，兩只放大管的源級都是通過一個幾十pF的陶瓷電容接地，該陶瓷電容單獨測試時其特性曲線并不好，故而對電路造成較大影響；2）因為前面已經說過低噪聲放大器尤其前級是按照最佳噪聲匹配的，駐波并不是最好的，這也對整體噪聲造成一定影響。解決措施有：單電源可以改成雙電源供電（即漏極正電壓和柵極負電壓分別由正壓和負壓兩個電源供電），這時源級直接接地，雖然等效壓差與單電源相同，但在射頻微波電路中，接地良好對指標的影響很大，所以源級直接就近接地，受外界的微擾減小[6]；3）在空間結構許可的情況下，放大器的輸入、輸出可以級聯隔離器，但要注意選用帶寬要寬、駐波要小的隔離器，這樣可以極大改善駐波，也間接改善了噪聲[7]；當設計更高頻率的放大器時，注意腔體尺寸的變化，不能過大，并且可以粘貼相應頻率的吸收材料，最好同時將驅動電路放在微波基板背面，通過開孔或穿芯電容引入饋電，同時在PCB布板中要考慮到鄰近相關電路的影響，注意濾波、接地和外電路干擾問題設計中要滿足電磁兼容設計原則，以提高產品電特性。

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