一種K頻段低噪聲放大器的設計

衛少卿，寇 陽

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

在通信、遙測遙控、雷達、電子對抗和射電天文等領域，低噪聲放大器已經是其電子系統中接收前端必不可少的重要組成部分。低噪聲放大器的噪聲系數指標在很大程度上決定了通信系統的靈敏度。在Ka頻段的衛星通信系統中，衛通地面站的接收頻率在20 GHz的K頻段[1]，由于頻率較高，電磁波傳輸的損耗、雨衰較大，這就對接收低噪聲放大器的噪聲系數提出了較高的要求[2]。

現階段，工作在20 GHz的低噪聲放大器若采用分立電路，其體積一般較大；若采用微波單片集成電路(MMIC)實現，其噪聲系數較高。本文針對Ka頻段衛星通信的相關要求設計了一種K頻段低噪聲放大器，該低噪放采用分立電路和MMIC的混合電路實現，同時分立電路級采用了級間失配的電路形式，同時兼具噪聲系數低、體積小的優點。

1 總體設計

低噪聲放大器一般采用分立電路或微波單片集成電路(MMIC)的方式來實現。分立電路能夠實現足夠低的噪聲系數，但是增益低、晶體管輸入輸出匹配電路占用面積較大，難以實現電路的小型化；MMIC體積小、增益高，易于級聯，但噪聲系數較差[3]。本文為了獲得更好的電氣性能，盡可能地減小電路體積，則采用分立電路和MMIC的混合形式實現。

K頻段低噪聲放大器(LNA)組成框圖如圖1所示。

圖1 低噪聲放大器組成

考慮到衛星通信地面站的天線接口多為波導形式，本設計中的LNA采用波導輸入、同軸輸出的形式。該LNA包括波導—微帶過渡單元、低噪聲放大級電路和增益補償放大級電路等3個部分。

波導—微帶過渡單元通過同軸探針將波導傳輸的信號轉換為微帶線傳輸，該單元置于LNA前端，其插入損耗直接反映在噪聲系數上，所以設計時要求其插損盡可能低；低噪聲放大級電路是LNA的第一級放大級，其噪聲決定了整個LNA的噪聲系數，因此采用分立電路形式，盡可能降低電路噪聲；增益補償級采用單片MMIC實現，在較小的體積內為整個LNA提供足夠的增益；有源偏置電路可以為低噪放提供恒定電壓、電流的偏置，在高低溫環境下可減小LNA直流工作點的變化。

2 設計實現

2.1 波導—微帶過渡單元

波導—微帶過渡單元是LNA的重要組成部分，對設備的噪聲系數和輸入電壓駐波比起重要作用，對波導—微帶過渡的要求如下：

① 該LNA作為室外設備工作，波導—微帶過渡必須考慮水密性設計；

② 插入損耗和電壓駐波比要低，而且應有足夠的頻帶寬度；

③ 具有良好的一致性和可生產性。

目前，實現波導—微帶過渡單元主要結構有波導—脊波導—微帶線過渡、波導—對脊鰭線—微帶線過渡和波導—探針—微帶線過渡等形式。脊波導是一種簡單且具有良好過渡特性的結構，但需要精確的機械加工，體積也較大；鰭線過渡加工和安裝方便，但插入損耗大、體積較大、結構復雜，且會產生諧振效應，不易實現寬帶過渡。

基于電場耦合的波導—微帶過渡是目前K波段使用最為廣泛的一種過渡形式。它將同軸探針通過波導E面開孔插入波導腔中，把波導中的電場耦合至微帶線，具有插入損耗低、駐波小、工作頻帶寬、容差大且結構緊湊的特點。同時同軸結構具有一定的密封性，采用這種結構設計屏蔽盒，可以不破壞腔體結構的完整性，達到水密的要求[4]，本文中LNA的輸入端即采用這種形式設計。

在波導—微帶線過渡結構中，同軸探針中心距離矩形波導短路面的長度為1/4波長，該位置為波導內電場最強點，將探針置于該處，可使得過渡損耗最低。同時，為了擴展工作帶寬，需要在探針底端進行加載，但是探針頂與微帶線焊接的焊盤以及探針底端加載的金屬圓柱使整個探針的特征阻抗呈容性，為了抵消這一特性，在同軸探針中增加一段呈感性的收窄介質腔，介質采用低介電常數的聚四氟乙烯材料，通過該設計使整個波導—微帶過渡單元與微帶線實現阻抗匹配。

采用HFSS軟件對該過渡結構進行三維建模，其結構如圖2所示。

圖2 波導—微帶過渡單元模型

對該模型進行S參數仿真，其仿真結果如圖3所示。

圖3 波導—微帶過渡單元仿真結果

由仿真結果可見，在17～22 GHz頻帶范圍內，波導—微帶過渡單元的插入損耗小于0.07 dB，回波損耗小于-21 dB，該設計性能指標良好，達到了設計預期。

2.2 低噪聲放大級電路設計

噪聲系數是LNA最重要的指標之一，噪聲系數越低LNA的性能越好。由于K頻段的MMIC單片噪聲系數較高，為設計出噪聲指標良好的LNA，低噪聲放大級電路需采用分立電路實現。

2.2.1 晶體管及介質基片選擇

首先，確定所用的低噪管。由于半導體材料特性的限制，硅器件通常用于頻率較低的場合，在20 GHz頻段無法提供良好的噪聲系數。N型砷化鎵(GaAs)基HJ-FET晶體管內部載流子的漂移速度通常比其擴散速度高許多倍，且電子的遷移率比硅器件要高，這就使得GaAs HJ-FET適用的工作頻率較高，且在高頻工作時，該晶體管的噪聲較低[5]。

基于上述原因，選用了NEC公司生產的NE350184C晶體管作為低噪放前級的放大器件。

同樣由于K波段頻率較高，其信號傳輸損耗較大，為了降低信號的傳輸損耗，選用的印制板介質基片要求損耗小、表面光潔度高、硬度高。常用于該頻段的介質基片材質主要有：氧化鋁陶瓷、Rogers RT/duroid 5880基板、藍寶石和石英等。由于低噪放需要采用微帶電路實現阻抗匹配，采用低介電常數的板材，可以在一定程度上增大微帶圖形尺寸，從而降低了微帶線對加工公差的要求，提高成品率。同時，基板介質均勻性越高，微帶電路的一致性越好。

本文中選用了Rogers公司生產的RT/duroid 5880介質基板。它具有較低的損耗及介電常數，以及相對較高的介質均勻性，是較為理想的介質板材。

2.2.2 最小化噪聲原則設計低噪放電路

低噪聲放大器一般由多級放大器組成，其噪聲級聯公式為[6]：

(1)

由式(1)可以看出，低噪放的噪聲系數主要由第1級放大器決定[7]，傳統的LNA也是在第1級采用最小噪聲匹配，在后級均采用共軛匹配來獲得更高的增益[8]。

但是在20 GHz頻段，NE350184C晶體管僅能夠提供10 dB左右的增益，單級增益較低。在這種情況下，后級的噪聲系數對第1級的影響則不可忽略。為了使LNA整機的噪聲系數盡可能低，采用2級晶體管共同組成低噪聲放大級電路，2級晶體管均側重最佳噪聲匹配，其拓撲結構圖如圖4所示。

圖4 低噪聲放大級拓撲結構

圖4中，FET1和FET2為NE350184C晶體管，N1為輸入端口的匹配電路，采用最小噪聲匹配，即輸入阻抗等于低噪聲最佳源阻抗。第2級FET2輸出匹配電路N3是共軛匹配以獲得高增益以及較好的輸出駐波。而N2并不是傳統意義上的50 Ω阻抗匹配電路，而是采用非匹配阻抗變換電路令2級FET處于級間失配狀態。處于級間失配狀態下的2級晶體管會互相影響工作狀態，通過調節N2，第2級晶體管會對第1級晶體管產生負載牽引效應。

通過仿真軟件對N1、N2和N3進行同步優化，即可使FET1和FET2均工作在最小噪聲狀態，且N2電路面積可實現最小化，以降低級間損耗。根據上述原則在ADS軟件中搭建仿真模型并優化[9]，仿真結果如圖5所示。

圖5 低噪聲放大級仿真結果

由仿真結果可以看出，該LNA在18.5～21.5 GHz頻段內，S11<-15 dB，S22<-18 dB，增益S21>22.5 dB，且在該頻帶內的噪聲系數小于0.95 dB。

2.3 低噪放整體級聯仿真

波導—微帶過渡單元及低噪聲放大前級的設計已完成。根據整體設計方案，還需在其后端增加一級增益補償放大級電路。為了使LNA整體體積最小化[10]，后級放大器采用MMIC低噪聲放大芯片[11]，在此頻段內HMC517LC4芯片的噪聲系數為2.5 dB，并可提供19.5 dB的增益[12]。采用該芯片與前級仿真設計結果進行級聯仿真，級聯仿真結果如圖6所示。

圖6 低噪放級聯仿真結果

由圖6的聯合仿真結果可以看出，整個LNA的設計噪聲系數為1.04 dB，增益為41.9 dB。從仿真結果可看出，該LNA有著較低的噪聲系數，符合最小化噪聲的設計初衷。

3 實測結果分析

研制的K頻段低噪聲放大器實物照片如圖7所示。

圖7 低噪聲放大器實物

采用矢量網絡分析儀以及噪聲系數分析儀測試該LNA的S參數及噪聲系數，測試結果如圖8和圖9所示。

圖8 低噪放S參數測試結果

圖9 低噪放噪聲系數測試結果

由測試結果可以看出，該LNA在18.5～21.5 GHz頻段內，S21為40.0 dB±1.5 dB，S11、S22均小于-13 dB(換算VSWR≤1.5∶1)。同時，該LNA的噪聲系數小于1.2 dB。現階段工程應用的該頻段LNA其噪聲系數一般為1.6 dB[13]，設計在噪聲系數指標上有顯著優勢。

4 結束語

本文設計了一種K頻段低噪聲放大器。該低噪放采用了波導接口輸入，同軸接口輸出的形式，包含了波導—微帶過渡單元、級間失配的低噪聲放大單元以及MMIC形式的增益補償放大單元3部分。LNA實測結果與仿真結果對應良好，并且噪聲系數較低。由此可驗證，采用含空氣過渡腔的底端加載探針構成的波導—微帶過渡單元比無過渡空氣腔的探針具有更低的插損[14]，采用級間失配形式的低噪聲放大器其噪聲系數明顯低于傳統的級間匹配形式[15]。同時，該LNA設計具備結構一體性，利于室外防水設計，具備較高的工程應用價值。

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