X波段低噪聲放大器設計

張勝杰

摘 要：介紹了一款X波段低噪聲放大器的設計與調試過程。設計采用NEC公司的HEMT晶體管NE3515S02制作，放大器采用兩級級聯，并利用先進系統軟件進行噪聲、穩定性、增益、駐波比等參數的仿真分析，同時繪制了電路板，然后使用三維建模軟件 Autodesk inventor設計了放大器的殼體。制作的LNA指標為：在8.8 GHz～9.6 GHz頻帶內，功率增益為22 dB，帶內平坦度小于1 dB，噪聲系數小于1.5 dB，輸入輸出駐波比小于1.5。

關鍵詞：低噪聲放大器；噪聲系數；駐波比；仿真分析

中圖分類號：TN722 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

低噪聲放大器（Low Noise Amplifier， LNA）是微波接收系統的核心器件之一，它對整個接收機系統的接收靈敏度和噪聲性能起著決定性作用。通信和雷達技術的發展，對微波放大器也提出了更高的要求。低噪聲，高增益，良好的帶內平坦度，足夠的帶寬成為LNA越來越嚴格的指標[1，2]。

1 低噪聲放大器的設計

LNA的設計主要包括：放大器指標的確認，晶體管選擇，晶體管直流參數分析，穩定性分析，輸入輸出匹配電路的設計，級間匹配電路設計，偏置電路的設計，原理圖和版圖的聯合仿真以及電路板制作與電路調試等。

1.1 設計指標與器件選擇

本文設計的低噪聲放大器期望指標如下：工作頻率8.8GHz～9.6 GHz，增益22 dB，噪聲系數小于1.5 dB，輸入輸出駐波比小于 1.5。

通過閱讀各大器件公司的設計手冊，最終選用NEC公司的砷化鎵異質場效應晶體管NE3515S02。在經過適當匹配的情況下，在12 GHz下噪聲指標為0.5 dB。由于其良好的噪聲性能和帶內平坦度，尤其適于工作頻段為在2 GHz～18 GHz的低噪聲放大器?；捎肦ogers公司的4350B，其相對介電常數εr=3.38，厚度h=0.508 mm，銅箔厚度T=0.035 mm。

1.2 偏置電路設計

偏置電路的設計是影響低噪聲放大器性能的一個主要因素。偏置電路不僅能提供管芯所需的穩定電壓和最大電流，使管芯穩定工作，同時可以濾除由管芯產生的各種高低頻信號和諧波，起到信號隔離的作用[3]。

偏置電路包含電源濾波模塊，電壓轉化模塊，射頻濾波模塊，通過閱讀數據手冊得到晶體管的靜態工作點為Vds=2 V，Ids=60 mA，Vgs=-0.8 V，晶體管需要采用常用的正負5 V雙電源進行供電，為保證其正常工作，需要對供電電路進行電壓轉化，并對電源信號進行濾波處理，以減小電源信號中的諧波分量對放大器噪聲的影響，同時，設計相應的濾波電路，防止射頻信號通過偏置電路向外泄露[4]。偏置電路示意圖如圖1所示。

2 穩定性分析與匹配電路設計

2.1 穩定性分析

要使放大器在頻帶范圍內穩定工作，需要對放大器進行穩定性設計。如果放大器存在潛在的不穩定情況，有可能導致放大器自激振蕩從而燒壞晶體管。因此必須保證放大器在 工作頻帶內絕對穩定[5]。放大器的絕對穩定條件可以用穩定系數K來描述：

2.2 匹配電路設計

圖3所示是微波器件的二端口網絡框圖[1]，其中，Γ1，Γ2分別為輸入，輸出反射系數，ΓS，Γl分別為信源和負載的反射系數，輸入匹配電路主要考慮放大器的噪聲系數

匹配網絡的作用不僅可實現源與負載間的理想功率傳輸，還具有減小噪聲干擾、提高功率容量和提高頻率響應的線性度等功能。設計時，輸入匹配電路按照最小噪聲匹配，級間電路按照最大功率傳輸進行匹配，在兼顧最小噪聲、信號增益、輸入輸出回波損耗以及帶內平坦度的前提下， 還可對原理圖進行整體的仿真優化。

3 優化仿真與測試

3.1 聯合仿真及優化

在ADS設計中，原理圖的仿真并沒有考慮微帶線，微帶線拐角，電路焊盤，接地孔，平行微帶等因素的電磁效應，這些因素會對放大器的性能產生很大影響。為了創建精確的仿真模型，需要對放大器進行電磁聯合仿真，創建電路的實際布局模型，將原理圖仿真中使用的理想電容、電感、電阻用實際模型取代，并對聯合仿真進行優化。

3.2 測試與調試

放大器的介質基板選用Rogers 4350B，介電常數為3.38，板厚0.508 mm，使用Altium Designer 進行電路板的繪制，根據電路板的尺寸，使用三維建模軟件Autodesk Inventor進行電路殼體的設計，最終電路實物如圖4所示。

設計中，介質基板需要充分接地。為保證信號不向外泄露，需要使用穿心電容穿過殼體，供電電線使用同軸線，以保證射頻信號不通過電線泄露[6]。由于X波段波長比較短，微帶電路的加工存在一定誤差，同時由于焊接，SMA接頭，接地孔，外部干擾信號，殼體諧振以及供電電源濾波不充分等因素的影響，實際測試的LNA性能與聯合仿真的結果存在差異，為此，可使用調試塊對微帶線寬和線距進行調試，同時在殼體內部添加一塊銅皮，以破壞腔體的內部結構，使得腔體的諧振頻率在8.8 GHz～9.6 GHz范圍以外，最終使用矢量網絡分析儀和頻譜分析儀進行測試，實際測試電路的增益為22 dB，增益平坦度小于1 dB，輸入輸出駐波比小于1.5，噪聲小于1.5 dB，從而達到了設計指標。其測試結果如圖5所示。

4 結 語

本文通過使用Agilent公司推出的ADS軟件，成功設計了一款工作在X波段的低噪聲放大器，工作頻率為8.8GHz～9.6 GHz，輸入輸出駐波比均小于1.5，增益為22dB，增益平坦度小于1 dB，噪聲系數小于1.5 dB，通過對放大器殼體的設計以及電路的測試、調試，深刻理解了微波電路設計的理論和方法，設計調試中的工程經驗對低噪聲放大器的設計具有重要的借鑒意義。

參考文獻

[1]王紅梅，任緬. X波段低噪聲放大器的設計[J].電子設計工程，2012（6）：166-168.

[2] Kuo， W.L.， et al. A Low-Power， -Band SiGe HBT Low-Noise Amplifier for Near-Space Radar Applications[J]. Microwave and Wireless Components Letters， IEEE， 2006，16（9）： 520-522.

[3]馬萬雄， 陳昌明，張川.X波段低噪聲放大器設計[J].電子器件， 2013（1）：64-67.

[4] Xiao-mei， W.， et al. Design of X-band low-noise amplifier for optimum matching between noise and power， in Education Technology and Computer （A）. 2010 2nd International Conference on. 2010， IEEE： Shanghai. . V5-184-V5-188.

[5]潘安， 成浩，葛俊祥.X波段低噪聲放大器的設計與仿真[J].現代雷達， 2014（1）：66-69.

[6]張譯.GaN基X波段低噪聲放大器與E/D模電平轉換電路研究與設計實現[D].西安：西安電子科技大學， 2014.