X 波段低噪聲放大器設計

馬萬雄，陳昌明 ，張 川

(成都信息工程學院，成都610225)

研制合適的高增益、低噪聲系數的放大器，已經成為現代微波系統設計中的核心技術之一。隨著通訊、雷達技術的發展，對微波低噪聲放大器也提出了更高要求，低噪聲系數、高功率增益、帶寬足夠寬等已經成為LNA 越來越嚴格的指標。選擇合適的匹配電路結構，對于得到優良的性能指標非常重要。目前，X 波段低噪聲放大器，增益與增益平坦度較好，噪聲系數不是非常理想［1－2］。有學者對級間匹配采用帶通濾波結構［3］，該方法得到了比較理想的增益平坦度，但噪聲系數較高。本文采用了一種不對稱微帶十字型結構作為匹配結構，很好地兼顧了噪聲、增益及帶內平坦度，且電路結構簡單、易于實現，設計出的X 波段低噪聲放大器性能優良。

1 低噪聲放大器設計

LNA 的設計包括:器件選擇、偏置電路設計、穩定性設計、匹配電路設計、優化與仿真、調試電路等方面。

1.1 技術指標

X 波段LNA 技術指標主要如下:頻率范圍9.2 GHz ～9.6 GHz，噪聲系數小于2 dB，增益大于30 dB，輸入輸出駐波比(VSWR)小于2。

1.2 電路結構框圖

考慮到放大器的增益指標，由于一般的單管增益為9 dB ～14 dB 左右，而整個放大器的增益需要在30 dB 以上，因此，可以采用三級級聯，以保證增益大于30 dB 的要求。

設計方案如圖1 所示，由圖可知該LNA 包括輸入匹配網絡、級間匹配網絡、輸出匹配網絡和3 個微波晶體管。

圖1 低噪聲放大器框圖

對于多級放大器，噪聲計算公式［4］:

其中:NF為放大器整機噪聲系數;NF1，NF2，NF3分別為第1，2，3 級的噪聲系數;G1，G2分別為第1，2 級功率增益。由式(1)可知，第1 級LNA 的噪聲系數對整個LNA 的噪聲影響最大，因此選擇優質器件，對第1 級LNA 至關重要;電路優化設計對其噪聲、增益影響，也不可忽視。

1.3 器件選擇

選用NEC 公司的砷化鎵異質場效應晶體管NE3210S01。基片采用Rogers 公司的RT/Duroid 5880，其相對介電常數εr=2.2，厚度h=0.254 mm，銅箔厚度T=0.017 mm。

1.4 偏置電路設計

首先確定晶體管的靜態工作點，其與噪聲系數密切相關，讓放大器工作在最優狀態下［5］，選擇合適的偏置電路極其重要。本文選擇晶體管NE3210S01 典型的靜態工作點:VD=2 V，IDS=10 mA。利用ADS 的S 參數仿真在所需要的頻帶內求出低噪管的S 參數，并與晶體管手冊所提供的S 參數進行比較，通過調整管子的柵源電壓VGS不斷修正S 參數最終得到合適的偏置電路。加好偏置電路之后的電路，如圖2 所示。

圖2 低噪管的I－V 特性

該電路采用正負電源供電。在VD=2 V，IDS=10 mA 的直流偏置情況下，測試結果VGS=－0.529 V，IDS=10 mA，VDS=2.0 V。IDS與VGS的關系如圖3 所示。

圖3 NE3210S01 直流特性圖

饋電方式選擇λ/4 高阻微帶線接70°的扇形線，λ/4 高阻微帶線以遏制交流信號對直流電源的影響，扇形線既對高頻短路，又相當于電容，可以濾除電源噪聲，尤其適合寬頻帶的設計。

1.5 穩定性設計

放大器在ΓS輸入平面上絕對穩定的充分必要條件為:

K 為穩定性判別系數，K＞1 是穩定狀態。只有當兩個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩定的［6］。利用ADS 仿真晶體管NE3210S01 模型，仿真結果如圖4所示，結果表明在8.0 GHz ～11.0 GHz 頻段內，晶體管NE3210S01 處于絕對穩定狀態，故無需采取穩定措施。

圖4 穩定系數

1.6 匹配電路設計

本設計匹配電路包括:輸入匹配電路、級間匹配電路、輸出匹配電路。

1.6.1 輸入匹配電路

微波器件的二端口網絡框圖如圖5 所示，其中Γ1、Γ2分別為輸入和輸出發射系數，ΓS，ΓL分別為信源和負載的反射系數。

圖5 放大電路二端口網絡方框圖

反射輸入匹配電路主要考慮放大器的噪聲系數，放大器的噪聲系數可表示為:

式中:NFmin是最佳噪聲系數;ΓS是源反射系數，Γopt是最佳源反射系數，RN是微波FET 的等效噪聲電阻，R0是微波系統阻抗，通常為50 Ω。當ΓS=Γopt時可以得到最小噪聲系數FNmin，然而是通過輸入端的失配達到電抗性器件之間噪聲相消，所以一般情況下輸入駐波比比較大，也會降低放大器的增益，需要綜合考慮噪聲系數與輸入駐波比。

1.6.2 級間匹配電路

級間匹配電路原理圖如圖6 所示，由于采用三級級聯的設計方式，故合理的級間匹配電路對整個電路產生重要影響。級間電路的作用是使后級微波管輸入阻抗與前級微波管輸出阻抗共軛匹配，以獲得最大增益，同時兼顧輸出平坦度的要求［7］。兩級之間需加隔直電容，但隔直電容很難在X 波段保持良好的特性，故電路中使用λ/4 耦合微帶線，取耦合線寬為0.2 mm，耦合間隙為0.1 mm，其隔直效果好且傳輸損耗小。

圖6 級間匹配原理圖

1.6.3 輸出匹配電路

第三級輸入匹配電路為級間匹配電路，根據功率增益最大準則設計輸出匹配電路，采用共軛匹配方式，即要求級間匹配電路的輸出阻抗與后級微波管輸入阻抗共軛匹配，后級微波管輸出阻抗與輸出匹配電路的輸入阻抗共軛匹配，則放大器具有最大功率增益和最佳駐波比性能。低噪聲放大器主要指標是噪聲系數，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設計的，其結果會偏離駐波比最優的共扼匹配狀態，因此駐波比不會很好。

1.7 仿真與優化

ADS(Advanced Design System)是Agilent 公司推出的功能強大的射頻微波電路仿真和優化軟件。根據NEC 公司提供的針對ADS 的晶體管仿真模型，在ADS 中建立仿真并優化得到最終實物圖如圖7 所示。

圖7 LNA 實物圖

優化主要以噪聲系數、增益、輸入輸出駐波比為目標，采用隨機優化(Random)與梯度優化(Gradiend)相結合的優化方式［8］。由于加工制造過程可能帶來誤差，設計仿真的性能指標必須要高于所要求達到的性能指標，通過反復的優化，利用安捷倫N5244A 矢量網絡分析儀與N8975A 噪聲分析儀測試，最后得到的仿真結果及實測結果如圖8 所示。

圖8 LNA 結果對比圖

從圖8 知實際測量結果與仿真結果相吻合，但存在一定的偏差，出現偏差的主要原因有:加工誤差，由于X 波段波長比較短，微帶電路對加工精度要求比較高;其次在仿真中，過孔采用的是理想模型;最后是測試誤差。

2 結論

文中提出了一種采用微帶分支線匹配結構和三級級聯方式的X 波段低噪聲放大器。由實測結果可知，LNA 在X 波段一定的帶寬內，性能完全滿足射頻接收機的要求，在雷達和通信中可得到廣泛應用。文中有關設計的理論和經驗對其他頻段的低噪聲放大器設計也有借鑒意義。

［1］ 謝濤，周以國，郭俊棟.X 波段寬帶低噪聲放大器設計［J］. 中國科學院研究生院學報，2008，25(3):408－412.

［2］ 唐海嘯，張玉興，楊陳慶，等. 利用ADS 設計X 頻段低噪聲放大器［J］.電訊技術，2006(1):119－122.

［3］ 郝明麗，劉訓春，黃清華，等.X 頻段低噪聲放大器模塊［J］. 半導體學報，2007，28(6):963－966.

［4］ 陳邦媛.射頻通信電路［M］.北京:科學出版社，2003.

［5］ 梁立明，南敬昌，劉影.基于ADS 射頻低噪聲放大器的設計與仿真［J］.計算機仿真，2009，26(11):352－355.

［6］ 齊盛，秦會斌，嚴葉挺. 高低增益雙通路射頻低噪聲放大器的設計［J］.電子器件，2009，32(5):893－896.

［7］ 叢密芳，南敬昌，李久超.RFID 低噪聲放大器設計與仿真［J］.計算機仿真，2011，28(4):393－396.

［8］ Ulrich L Rohde，David P Newkirk. RF/Microwave Circuit Design for Wireless Applications［M］.John Wiley ＆ Sons，Inc.2000.