超高頻窄帶單級(jí)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

吳志毅，孫建華

（1.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 620840；2.成都天宇寶通有限公司 四川 成都 611731）

隨著科技現(xiàn)代工業(yè)化的普及，工業(yè)噪聲、自然界的噪聲到處沖滿我們的生活。給我們生活中微波通信系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。為了使接收機(jī)能夠正常的工作，不受外界的噪聲嚴(yán)重的干擾。因此，必須在接收機(jī)前端連接高性能的低噪聲放大器，降低噪聲干擾，使整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)噪聲系數(shù)變低、信燥比得到改善、靈敏度得到提高，因此對(duì)微波通信中低噪聲放大器的研究具有重要的意義。

本文所研制的低噪聲放大器主要用于超高頻段微波通信系統(tǒng)中。產(chǎn)品的主要指標(biāo)：頻率范圍400～435 MHz頻段上，功率增益＞13 dB、噪聲系數(shù)＜2.5 dB、帶內(nèi)增益平坦度＜0.5 dB、帶外抑制≤－75（≤f o－90 MHz處測(cè)試）、輸入/輸出負(fù)載50Ω。

1 設(shè)計(jì)方案

單級(jí)微波場(chǎng)效應(yīng)管低噪聲放大器的構(gòu)成框圖如圖1所示。它是由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、微波場(chǎng)效應(yīng)管、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成。

圖1 低噪聲放大器原理Fig.1 Low noise amplifier principle

輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是使器件與信號(hào)源的阻抗匹配，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是使器件與負(fù)載的阻抗匹配，使得信號(hào)在放大器過程中不產(chǎn)生反射損耗。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)單級(jí)低噪聲放大器選用的放大器芯片為35k318YB場(chǎng)效應(yīng)管，該管的特點(diǎn)：

1）低噪特點(diǎn)，最大2.2 dB，典型值為1.4 dB；

2）優(yōu)秀的交叉調(diào)制特性；

3）功率增益最小為18 dB，典型值為21 dB；

4）低功耗、低電壓工作能力；

5）OIP3為30 dBm左右。

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用反饋型、穩(wěn)定衰減器法和低端增益衰減法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 噪聲系數(shù)分析

放大器噪聲系數(shù)一般用NF表示，它是用來衡量有噪系統(tǒng)的噪聲性能。定義為：放大器輸入信噪功率比（SNR）i＝Si/Ni與輸出信噪功率比（SNR）0＝S0/N0的比值：

在工程設(shè)計(jì)與運(yùn)用中，噪聲系數(shù)一般用分貝表示。表達(dá)式如下：

對(duì)于單級(jí)低噪聲放大器，其噪聲系數(shù)為：

其中NFmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，由放大器的管子決定，Γout、Rn和Γs分別為獲得Fmin時(shí)的最佳反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。

1.2 穩(wěn)定性分析

在低噪聲放大器設(shè)計(jì)中，有一個(gè)重要問題，那就是放大器穩(wěn)定性。穩(wěn)定因子K利用場(chǎng)效應(yīng)管S參數(shù)給出了穩(wěn)定性的直接指示，并由下式?jīng)Q定：

其中：Δ＝S11S22－S12S21

1）如果K＞1，則晶體管無條件穩(wěn)定的；

2）如果K＜1，則晶體管的穩(wěn)定性取決于源和負(fù)載阻抗相對(duì)穩(wěn)定圓的位置。

根據(jù)所設(shè)計(jì)電路技術(shù)指標(biāo)要求，選用微波場(chǎng)效應(yīng)管3SK318YB。該管在400 MHz的s參數(shù)如下：

S11＝0.972∠－24.1 S21＝2.28∠147.6 S12＝0.00533∠78.0 S22＝0.980∠－17.4把S參數(shù)代入（3）式中，計(jì)算可得K≈1.45＞1，（此時(shí)的K是未匹配時(shí)的結(jié)果）所以放大器是穩(wěn)定的。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為了保證低噪聲放大器穩(wěn)定工作還要注意使放大器避開潛在不穩(wěn)定區(qū)。同時(shí)工程設(shè)計(jì)中為改善微波管的自身穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下兩種方式：

1）串接阻抗負(fù)反饋

在3SK318YB的源極和地之間串接一個(gè)阻抗元件電阻和電容，從而構(gòu)成負(fù)反饋電路。

2）穩(wěn)定衰減器

在3SK318YB的輸出口接有兩級(jí)Π型阻性衰減器，而Π型阻性衰減器是一種簡(jiǎn)易可行的改善放大器穩(wěn)定性的措施。在不少情況下，放大器輸出口潛在不穩(wěn)定區(qū)較大，在輸出端加Π型阻性衰減器，對(duì)改善穩(wěn)定性相當(dāng)有效。

1.3 增益分析

1.4 雙共軛匹配設(shè)計(jì)分析

晶體管提供的增益強(qiáng)烈地依賴于輸入、輸出端口所加載的源阻抗和負(fù)載阻抗。由于反相傳輸系數(shù)S12的存在，意味著負(fù)載反射系數(shù)ΓL會(huì)影響晶體管的輸入阻抗，輸入反射系數(shù)表示為[2]：

按照源反射系數(shù)ΓS，輸出反射系數(shù)表示為：

因此，考慮到放大管反饋的影響，采用雙共軛匹配法進(jìn)行匹配，即設(shè)計(jì)時(shí)要求Γin與Γout同時(shí)滿足，這樣可以做到信號(hào)源和負(fù)載反射系數(shù)同時(shí)匹配，確保有高的功率增益和功率增益平坦度，同時(shí)兼顧輸入和輸出駐波比，射頻電路整體上再進(jìn)行匹配調(diào)節(jié)。從實(shí)際生產(chǎn)角度，輸入和輸出都要匹配到50歐，這樣不僅可以滿足指標(biāo)的要求也可以縮小設(shè)計(jì)尺寸。

2 電路板制作與測(cè)試

為了小型化和通用性使用，電路板制作在21 mm×12.7 mm，厚度為0.6 mm的聚四氟乙烯基片上，PCB電路板如圖2所示，元件裝配圖如圖3所示。調(diào)整好直流偏置電路，蓋上屏蔽罩，在安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8753C測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖2 PCB電路板Fig.2 PCB circuit board

圖3 元件裝配圖Fig.3 Element assembly drawing

3 實(shí)物測(cè)試結(jié)果分析

圖4中：400 MHz由－40 dB增加到－26.638 dB，增益為13.361 dB。

圖4 電路測(cè)試圖Fig.4 Circuit test pattern

415 MHz由－40 dB增加到－26.418 dB，增益為13.582 dB。

430 MHz由－40 dB增加到－26.519 dB，增益為13.481 dB。

帶內(nèi)平坦度為：0.22 dB。

430 MHz的鏡像抑制為：91.063－26.519＝65 dB。

因?yàn)轭l率較高，接地不是很良好，鏡像抑制測(cè)試有誤差，鏡像頻率與裝整機(jī)的差值為10 dB。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器具有實(shí)用性，已經(jīng)在某些產(chǎn)品中大量使用。從使用角度看，該放大器優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：一致性、可靠性、穩(wěn)定性比較好，適合批量生產(chǎn)同時(shí)具有小型化設(shè)計(jì)技術(shù)。值得進(jìn)一步推廣。

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