S波段寬帶低噪聲放大器的設計

黃 雷，張曉發，袁乃昌

（國防科學技術大學 電子科學與工程學院，湖南 長沙410073）

S波段寬帶低噪聲放大器的設計

黃 雷，張曉發，袁乃昌

（國防科學技術大學 電子科學與工程學院，湖南 長沙410073）

微波寬帶低噪聲放大器是雷達、電子對抗、微波通信及遙測遙控等接收系統的關鍵部件。為滿足高性能微波接收機系統對微波低噪聲放大器寬頻帶、低噪聲系數、高增益和好平坦度等方面的要求。本文利用Infineon公司的BFP740FESD型雙極晶體管，采用純電抗寬帶匹配技術，設計了一個2～4 GHz寬帶低噪聲放大器（LNA）。經過實際測試，該放大器在2～4 GHz頻帶內，功率增益大于30 dB，噪聲系數小于1.8 dB，增益平坦度小于3 dB，輸入輸出駐波比小于2，輸出飽和功率大于5 dBm，且工作絕對穩定。

低噪聲放大器；寬帶匹配；噪聲系數；S波段

隨著現代無線通信技術的快速發展，對于射頻接收機的要求越來越高。低噪聲放大器作為射頻前端的重要組成部分，它的增益決定了對后級電路噪聲的抑制程度，它的噪聲系數決定了接收機的靈敏度，它的工作頻帶決定了接收系統的工作帶寬[14]。如何在保證低噪聲系數和高增益的前提下，盡量拓寬放大器的工作頻帶，已成為低噪聲放大器研制中的一個難點。這是因為微波晶體管的功率增益會隨著工作頻率的升高而降低，一般是每倍頻程降低6 dB。為了實現寬帶放大，就必須對增益的滾降特性進行補償，使低頻段增益降低[10]。不過，寬頻帶內低頻段增益的降低必然使駐波比變壞，同時噪聲性能也受到影響。此外，微波管輸入阻抗也隨頻率有很大變化，這將增加寬頻帶匹配電路的復雜性和設計難度。

1 理論電路分析

1.1 有耗匹配電路

常用的寬頻帶放大器的電路結構大體上有以下5種：平衡式放大器、反饋式放大器、有耗匹配式放大器、有源匹配式放大器[15]。其中有耗匹配電路結構簡單，外圍器件少，引入的寄生參量低，被廣泛應用在寬帶放大器的設計之中。

有耗匹配電路是一種可在多倍頻程范圍內補償固定的增益滾降，從而獲得平坦增益的電路匹配方式。其具體電路如圖1所示。

圖1 有耗匹配原理圖

電路中，輸入端和輸出端用電阻器件和高特征阻抗的短截線相連。在頻率低端，并聯線的電長度很短，致使晶體管端接電阻，降低其增益。在頻率高端，短截線有較高電抗（當短截線長度為1/4波長時，其值趨于無窮大），電阻對于晶體管的影響很小。因此，匹配網絡不是借助于失配，而是通過引入一個正斜率的增益線以補償晶體管的增益滾降。有耗匹配放大器具有平坦的增益，良好的輸入輸出匹配和簡單的結構等優勢[5]。

1.2 穩定性分析

穩定性是指在工作環境（溫度、信號頻率、源以及負載阻抗等）變化的情況下，放大器依然能保持正常工作的能力。對于一個不穩定的放大器而言，一些不可避免的寄生因素或是放大器直流參數的任何細小變化都會引起它在某頻率上產生強烈的自激振蕩，其典型的表現就是在無輸入功率時有功率輸出。這樣的情況下，放大器是不能正常的工作的，因此在設計低噪聲放大器時，必須使其絕對穩定工作。一個微波射頻管絕對穩定條件是[5]：

其中，D=S11S22-S12S21。K為穩定性判別系數，K＞1是穩定狀態。只有當3個條件都滿足時，才能保證放大器時絕對穩定的。

2 電路設計

2.1 器件選型

有源微波固態電路的整體性能主要由所選擇器件的基本性能參數所決定。故選擇一款符合設計要求且性能優異的微波低噪聲放大管，已成為設計優良電路的基本前提。英飛凌科技公司（Infineon）是世界知名的半導體設計企業、制造商和供應商。其生產的三極管性能優異，穩定性高。此電路所使用的三極管BFP740FESD，是一款低噪聲寬帶兩極NPN型射頻晶體管，在無線通信中被廣泛使用。在S頻段內，它的噪聲系數最低為0.7 dB，最大增益為20 dB，性能優異可靠。而且它的成本非常低，體積也很小，技術成熟。綜合以上優點和特征，選用這款三極管進行電路設計。

2.2 寬帶匹配電路結構設計

有耗匹配結構放大器是通過對增益高的低頻段增加電阻性損耗，來改善放大器的增益平坦度，增大工作帶寬，提高器件的穩定性[2]。但是，由于電阻性元件的引入，會降低晶體管的輸出功率，增加放大器的噪聲系數和駐波系數[12]（VSWR）。為了解決此問題，就必須優化有耗匹配的電路結構，將電阻性元件去除，利用微帶線對射頻信號的損耗來代替電阻，在晶體管的輸入/輸出端使用純電抗（電容、電感和微帶線）匹配網絡[3]。這樣可以提供適中的帶寬、優良的噪聲性能和功率性能。具體原理如圖2所示。

圖2 帶有增益補償網絡的兩級放大器原理圖

在本低噪聲放大器中，采用兩級晶體管級聯來提高增益[11]，輸入匹配網絡是按最佳噪聲系數來設計的，級間匹配是按平穩增益來設計的，輸出匹配是按最大的輸出功率來設計的，同時輸入匹配網絡和級間匹配網絡在工作頻段的高端用最小的損耗來進行增益補償[4]。

2.3 電路穩定性設計

對于S波段的低噪聲放大器，由于低頻增益較高，很容易產生自激。為了保證放大器在全頻帶內絕對穩定工作，就要采取相應的措施，使其穩定系數滿足k＞1。在本設計中，采用發射極串聯負反饋電感的形式提高放大器的穩定性，因為發射極負反饋可以有效降低低頻增益和提高低頻駐波性能，而且不會惡化噪聲。由于反饋電感太小，實際的分立電感很難做到。且實際分立電感本身的誤差和寄生參數對電路的影響很大，故利用接地微帶線的電感效應來代替[13]。其等效公式如式2所示[1]：

式中，l是微帶線的長度（單位inch）；L是電感值（nH）；Z0是微帶線的特征阻抗。

反饋電感的反饋量主要由微帶線的長度決定，如果反饋量過小對穩定性改善不大，如果反饋量過大則會引起高頻的不穩定。

2.4 電路仿真設計和制作

利用ADS軟件完成寬帶低噪聲放大器的仿真設計與優化[6]，并制作電路如圖3所示。

圖3 低噪聲放大器硬件電路

3 實物測試及分析

3.1 S參數測試

利用Agilent N5230C矢量網絡分析儀對低噪聲放大器進行S參數測試，在輸入功率為-30 dBm時S參數的測量結果如圖4所示[8]。

圖4 S參數曲線

測試結果顯示，該低噪聲放大器在S頻段內，增益G分布在30～33 dB之間，輸入反射系數S11＜-9.5 dB（駐波系數 VSWR＜2），輸出反射系數 S22＜-15 dB。

3.2 線性特性測試

利用Agilent N5230C矢量網絡分析儀和固定功率衰減器改變輸入功率，觀察曲線S21的變化，通過計算可間接得到低噪聲放大器的輸出功率。記錄測試數據并處理，得到結果如圖5和圖6所示[7]。

圖5 3GHz處放大器功率壓縮曲線

圖6 1dB壓縮點隨頻率變化曲線

由測試結果可知當放大器工作在線性區域時，所有輸入信號會得到基本相同的功率增益。但隨著輸入信號功率的不斷增加，放大器的增益會逐漸下降直到飽和。加上測試電纜的損耗可得此放大器在S波段的飽和輸出功率在5 dBm以上。

3.3 噪聲系數測試

利用R&S公司的頻譜儀和Agilent公司型號為346C的噪聲源對設計的低噪放進行噪聲系數測試，結果如圖7所示。

圖7 噪聲系數隨頻率變化曲線

由測試結果可知，此低噪聲放大器在S頻段的噪聲系數在1.8 dB以下，而且大部分頻段的噪聲系數都比較小（1.5 dB以下），噪聲性能優良。

4 結論

微波晶體管放大器具有寬頻帶、穩定性好、噪聲性能好、動態范圍大等優點。頻率小于4 GHz時一般用雙極晶體管，而頻率高于4 GHz時雙極晶體管就不再適合[9]，因為其增益隨頻率的增加而迅速降低，而噪聲系數隨頻率的增加而迅速增加，此時一般用微波場效應晶體管。利用改進型的有耗匹配電路（電抗性匹配）技術，可以在拓寬放大器工作帶寬的同時提供優良的噪聲性能和功率性能。本論文使用雙極晶體管，并經過改進的有耗匹配電路設計成的低噪聲放大器，具有高增益、低噪聲、寬帶寬、高穩定性等優點。可以在S頻段的射頻接收機前端中使用。如果能夠改善工藝，實現它的小型化，它將會有更廣闊的應用前景。

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Design of broadband low noise amplifier in S-Band

HUANG Lei， ZHANG Xiao-fa， YUAN Nai-chang
（College of Electronics Science and Engineering， National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Microwave broadband low noise amplifier plays an important role in the receiver system of radar， electron countermeasures， microwave communication，remote measuring and remote control， and so on.A high performance microwave receiver system have a higher request for low noise amplifier featuring broadband， low noise figure， high gain， and flat response.In order to meet the requirements a 2～4GHzbroadband low noise amplifier（LNA） was designed with pure reactance broadband matching technology by using the Infineon's BFP740FESD bipolar transistor.Test result of LNA shown thatoverall frequency of 2～4 GHzgain is largerthan 30 dB， noise figure is less than 1.8 dB，gain flatnessis less than 3 dB， input and output SWRs are less than 2.To characterize linearity，output saturation power is greater than 5dBm and the amplifier has a stable performance.

low noise amplifier； broadband impedance matching； noise figure； S band

TN722

：A

：1674－6236（2017）15-0158-04

2016-06-06稿件編號：201606045

黃 雷（1990—），男，河北石家莊人，碩士研究生。研究方向：微波固態電路。