機載C波段高性能低噪聲放大器的研究設計

楊光熹

(民航西南空管局空管過程建設指揮部，四川 成都 610202)

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機載C波段高性能低噪聲放大器的研究設計

楊光熹

(民航西南空管局空管過程建設指揮部，四川 成都 610202)

研究低噪聲放大器的設計方法，運用射頻理論，結合當前民航機載C波段雷達接收前端的要求，設計了一款高增益、低噪聲、性能穩定的放大器，能滿足C波段機載接收前端的要求。

低噪聲放大器；鏈路仿真；C波段雷達

0 引言

隨著通信技術的發展，機載通信質量要求不斷提高，高增益、高靈敏度、大動態范圍的接收前端起著至關重要的作用[1]。而低噪聲放大器(LNA)位于雷達接收機的最前端，天線接收信號后，通過低噪聲放大器，將微弱的射頻信號放大，同時降低噪聲干擾。目前不管是研究民航地空通信干擾抑制系統、空管雷達設計，還是民航電臺設計，都需要具有噪聲系數小、對信號的信噪比惡化盡可能小、增益高的低噪聲放大器。研究增益高、噪聲低、性能穩定的低噪聲放大器對改善機載接收機靈敏度和提高機載通信質量有著十分重要的意義[2]，同時對提供各種通信導航和雷達監管保障的技術人員來說，熟悉此類射頻電子設備的制作也是一項基本的技能。

1 低噪聲放大器設計基本理論

低噪聲放大器在民航機載雷達接收前端起著至關重要的作用，它的仿真與設計是基于微波網絡理論和阻抗匹配理論，下面對其分別進行分析。

1.1 微波網絡等效電路分析

一個有源器件可以抽象為多端口器件，而本文中的晶體管可以看作二端口網絡，用其S參數和反射系數來描述此網絡的基本特征[3]。

圖1為抽象出來的兩端口網絡，根據S參數的定義，可以用歸一化入射波來表征歸一化反射波：

圖1 晶體管二端口網絡參數

(1)

此二端口的輸入反射系數Γin和輸出反射系數Γout為：

(2)

上式中Γs、ΓL分別為源和負載的反射系數，當匹配時式(2)后面一項為0。上述網絡入射功率為：

Pin=|b1|2-|a1|2

(3)

負載吸收功率為：

Pab=|b2|2-|a2|2

(4)

1.2 阻抗匹配在射頻放大器中的形式

由于電路工作在C波段，屬于微波頻率的范圍，傳統電路理論中的電壓和電流形式已經被電場和磁場形式所替代，在進行電路的設計時必須要考慮阻抗是否匹配[4]。

對于低噪聲放大器的設計，匹配電路能起到減小噪聲系數、增大輸出功率的作用，同時也能起到提高晶體管穩定性的作用。在實際的電路匹配設計時，經常采用集總分布混合的匹配形式來實現。比較常用的集總匹配形式有T型和Pi型匹配，而分布匹配一般采用微帶線，有開路枝節、短路枝節等[5]。

2 本文設計指標與方案

2.1 設計指標

按照民航空管的規范要求，從射頻理論出發，采用仿真軟件驗證，設計了一款適用于機載工作條件的低噪聲放大器，主要技術指標如下：

(1)頻率范圍：5 300 MHz～5 600 MHz；

(2)噪聲系數：NF≤1.3 dB；

(3)增益：Gp≥30 dB；

(4)增益平坦度：GΔ≤1 dB；

(5)回波損耗：Lr≤-15 dB。

2.2 晶體管選型

體管選型主要考慮以下幾點：

(1)工作頻段；

(2)噪聲系數；

(3)增益要求。

由于本設計工作于C波段，要求的增益比較高，噪聲系數比較低，決定選用Avago的ATF-36077高電子遷移率晶體管。該晶體管為砷化鎵(GaAs)半導體器件，具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優點，非常適合機載工作環境[6]。它能工作于2～18 GHz的超寬頻率范圍，并且具有超低的噪聲系數，在C波段增益能達到16 dB以上。

2.3 電路結構

前面提出的指標對端口回波要求比較高，特別是輸入回波，但低噪聲放大器在做輸入匹配的時候，輸入回波跟噪聲系數不能同時兼顧。為了保證良好的輸入回波，本設計采用平衡式結構，在改善回波損耗的同時可以保證電路的穩定性，即其中一路出現了問題，電路仍然可以工作，這符合機載通信的高穩定性要求[7]。

增益要求30 dB以上，單管難以滿足要求，在此采用二級串聯的結構，通過電容耦合，在實現高增益的同時還可以減小后續電路對噪聲系數的惡化因子。

2.4 指標預算

鏈路增益等于各級增益的和，可由式(5)計算得到：

GLink=LHybrid1+LLNA1+LLNA2+LHybrid2

(5)

其中，鏈路的噪聲系統可以通過公式(6)來計算：

(6)

通過鏈路仿真軟件Syscal進行增益、噪聲系數等指標的評估，從鏈路預算的評估結果可知，鏈路噪聲系數為0.81 dB，鏈路增益為31 dB，能夠滿足設計要求，所以方案是可行的。

2.5 鏈路框圖

圖2是整個系統的鏈路框圖，其中包含兩個混合電橋以及兩級放大器。

圖2 鏈路框圖

3 C波段射頻放大器仿真設計

本設計是基于Rogers4350B 30mil厚度的高頻板材，介電常數Er為3.66,損耗角正切為0.04，損耗較低，性能穩定，適合用于C波段的電路設計。

3.1 穩定性分析

電路級仿真采用安捷倫公司的ADS仿真軟件，對Avago公司的晶體管ATF-36077進行電路的設計，首先進行穩定性的仿真，通過源極負反饋的形式增強穩定性，在此處采用微帶的形式，一來可以增強穩定性，二來不會對噪聲系數有所惡化。圖3是單管的穩定性仿真原理圖。圖4是仿真所得的穩定性曲線，由圖4可知在5～6 GHz頻率范圍內晶體管處在穩定的狀態。

圖3 單管穩定性仿真原理圖

圖4 單管穩定性仿真結果

3.2 單級放大器仿真

接著將理想的微帶線轉換成為實際的微帶線進行單級晶體管放大器的仿真。

圖6 輸入和輸出回波損耗

圖7 噪聲系數和穩定因子

圖5～7為優化后的單級放大器性能。從圖5可以知道，單級放大器的增益最高達到16 dB，反向隔離最高為-20 dB；圖6是輸入與輸出端口的回波損耗，可以看出，端口阻抗匹配得比較好；圖7 給出了電路的穩定因子和噪聲系數，其中噪聲系數為0.4 dB左右。在此主要對噪聲系數進行匹配，回波的問題可以通過后續的平衡結構進行改善，所以單級放大器性能滿足設計要求。

3.3 兩級級聯仿真

由于單級放大器的增益為16 dB，要滿足30 dB的指標要求，需要兩級級聯，通過電容耦合的形式進行級聯設計，圖8是兩級級聯仿真原理圖。

圖8 兩級級聯仿真原理圖

兩級級聯后需要對電路進行微調，由于第一級增益為16 dB，級聯后第二級對整體噪聲系數影響有所減弱，所以級聯重點關注增益和平坦度指標，兼顧噪聲，圖9～10是兩級級聯仿真結果。

圖9 仿真結果曲線

圖10 穩定因子和噪聲系數

圖9給出了輸入輸出端口的回波損耗以及增益和隔離度曲線，由圖可知，在中心頻率處輸入輸出回波損耗均低于-15 dB，具有很好的匹配；級聯增益大于32 dB，增益平坦度為0.8 dB。圖10是穩定因子和噪聲系數曲線，級聯后，放大器依然穩定，且帶內最大噪聲系數為0.52 dB，各指標依然滿足要求。

3.4 平衡電路仿真

根據2.3節的分析，本設計采用平衡式架構。將兩級級聯的放大器封裝成一個小模塊，命名為C_LNA，用該模塊構建平衡電路框圖，如圖11所示。

圖11 平衡電路框圖

圖11平衡電路中輸入輸出分別為3 dB正交電橋，可以在改善端口回波的同時保證機載接收電路的可靠性。在實際的電路走線時要注意上下兩路的一致性，一個是增益的一致性，一個是相位的一致性，如果上下一致性不好，都會影響功率的合成。在輸出端可以預留相位微調的微帶線，如果由于功放管或者電橋的差異導致上下兩路相位的差異，則可以通過微調微帶的長度來進行相位的補償，最終達到比較好的合路效果。

為了進一步驗證寬帶性能，在頻率1 GHz～6 GHz內進行寬帶仿真。

從圖12～13可知，在工作帶內輸入輸出端口回波損耗都在-25 dB以下，增益大于30.5 dB，帶內波動0.33 dB，輸出端的噪聲系數小于1 dB,從圖13可以看出電路在1 GHz～6 GHz寬帶范圍內都趨于穩定。綜上所述，所設計的機載C波段高性能低噪聲放大器性能優越，滿足所有的指標要求，部分指標還具有較大的余量。

圖12 仿真結果曲線

圖13 穩定因子和噪聲曲線

4 結論

低噪聲放大器處于接收機最前端，其指標的好壞直接決定了接收機性能的優劣。在設計的過程中主要還是對噪聲系數、回波損耗和增益進行折中，在滿足輸入回波和增益的前提下，優化噪聲系數。安捷倫公司的EDA軟件ADS是2.5維全波仿真軟件，提供豐富和精確的仿真模型，通過合理運用軟件來進行設計，可以加快產品的設計周期，節約開發成本，提高產品設計的成功率。本文根據C波段機載接收前端的要求，合理選擇設計方案，結合實際產品，運用安捷倫ADS仿真軟件仿真設計了一款高性能的低噪聲放大器。

[1] 吳仁彪，宮利蘋，胡鐵喬．民航地空通信干擾抑制系統的設計與實現[J]．中國民航大學學報，2009，27(2)：1-5.

[2] 羅旭東．民航電臺接收機射頻前端研制[D].成都：電子科技大學，2008.

[3] LUDWIG R， BOGDANOV G.射頻電路設計-理論與應用[M].王子宇，王心悅，等，譯.北京：電子工業出版社，2002.

[4] 廖承恩.微波技術基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，1994.

[5] 楊國敏，肖高標.射頻低噪聲放大器電路結構設計[J].電子測量技術，2006,29(1):1-2.

[6] Guo Qing,Lv Shengang.C-band solid state T/R module design for SAR application[C]. Asia-Pacifi Coference on Synthetic Aperture Radar,Xi’an,China, 2009:345-347.

[7] 范寧松，夏達，何慧.S波段空管雷達2.2 kW固態功放組件的設計[J].現代雷達,2013, 35(6):65-68.

Research and design for airborne C-band high-performance low noise amplifier

Yang Guangxi

(Southwest Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation of China, Chengdu 610202, China)

This paper researches the design method of the low noise amplifier. Based on the theory of radio-frequency, and combined with the requirements of the current civil aviation onboard C-band radar receiver front-end, a high gain amplifier is desighed, which has low noise and stable performance, and can satisfy the requirement of C band airborne receiver front-end.

low noise amplifier; link simulaton; C-band radar

TN722

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.011

楊光熹. 機載C波段高性能低噪聲放大器的研究設計[J].微型機與應用，2016,35(20)：41-44.

2016-05-19)

楊光熹(1985-)，男，工學學士，主要研究方向：通信監視導航。