基于電抗匹配的低噪聲放大器頻帶拓展技術

邢 君, 李暢游

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

在工程應用上，設計者難免會遇到有放大器芯片不滿足設計所需帶寬的情況，可以利用已有近似頻段、指標類似的放大芯片經過阻抗匹配技術擴展頻段使用。本文提供了一種新型頻段拓展技術，可將寬帶低噪聲放大芯片工作頻率顯著增加。經理論和試驗驗證，該技術可應用于HF/VHF頻段通信或電子對抗設備微波信號的接收、放大[1-2]。

1 設計構思

TQP3M9028芯片是一款被業界廣泛使用的低噪放芯片，其工作頻率為50 MHz～4 GHz，具備噪聲系數低、增益平坦度好、P-1高等特點，因此在LTE/WCDMA/EDGE/CDMA領域被廣泛長期使用，而某工程中需要的放大電路工作頻率為20 MHz～4 GHz。由于關鍵指標要求的限制，難以選擇到完全適合的芯片。對此，設計師嘗試采用新的設計手段，對價格低廉且性能優異的TQP3M9028芯片進行電路頻段拓展設計。

表1 指標與需求對比

頻帶拓展設計成功的關鍵是匹配網絡。匹配網絡要解決穩定性、增益、駐波比等問題。設計的難點在于保持放大器的穩定性。此案例中帶寬雖然僅推進了30 MHz，但倍頻程擴大了2.3倍，造成寬帶特性極易處于不穩定狀態，尤其是20～50 MHz頻段。

一個典型的放大電路包括輸入匹配網絡、放大芯片、直流偏置和輸出阻抗匹配網絡，模型框圖如圖1所示。

2 設計理論

在設計過程中，放大器電路必須滿足在工作頻段內穩定。對于射頻電路這一點極其重要。若電路處于不穩定態，則在某些頻率或終端條件下有產生震蕩的傾向。用k因子來衡量這一指標[3]。絕對穩定條件可以用k>1來描述。

(1)

|Δ|=|S11S22-S12S21|；

(2)

以絕對穩定條件k>1為前提進行有源電路的匹配設計。輸入輸出匹配網絡主要對一端是50Ω、另一端是實部較小的復數阻抗進行匹配。容性、低阻抗放大器芯片的等效匹配可以如圖2所示的方式[4]。

當芯片的等效阻抗為感性、實部較小時，匹配網絡可以等效并聯電容，把等效阻抗中的電感分量諧振掉。

這款TQP3M9028的匹配電路，其電路搭建如圖3所示，匹配過程需要確定電感、電容值。芯片需要匹配的等效電抗：

其中，ω=2πf，C為電容，L為自感系數，f表示頻率。X不變的條件下，頻率越低，電感越大，電容越小[4-6]。利用仿真軟件ADS獲得電感電容的準確匹配值。

3 軟件建模與仿真

在ADS軟件中導入TQP9028的S2P文件，搭建仿真電路，設置S參數仿真頻域范圍，并加入駐波及穩定性系數仿真控件。

搭建好的原理圖如圖4所示。

由第2節的分析可以看出，若等效電抗為定值，則頻率越低匹配電容值越大而匹配電感值越小。通過優化電感、電容值，設計得到了適合使用的匹配電路(見圖4)，即放大器兩端串接56 nF，電源供電到放大器輸出端串接8 μH電感。此時，在超出放大器使用范圍的頻率上仿真得到了較好的指標。

得到仿真結果如圖5所示。

由仿真結果得到，放大器電路在20 MHz～4 GHz頻段增益13.7～17.2 dB，駐波小于1.6，k>1處于穩定態。

4 實物與測試

射頻部分實物圖如圖8所示。

測試結果：增益13.5～17.4dB，駐波<1.8，1 dB壓縮點20.5 dBm，噪聲系數<2.9 dB。

測試與仿真結果相符，實物經過-40℃～70℃溫沖、電老煉等基本環境試驗未發現故障，實用有效，滿足任務要求。

5 結束語

本文通過阻抗匹配實現了一款低噪聲放大芯片的擴頻使用，得到可滿足任務要求的實物。電路從設計到應用過程周期短、成本低，應用于電子對抗短波接收，實用性強，可類比設計性強。