一種適用于衛星通信的低噪聲放大器設計

劉其強，于 祥，陶輝華

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

在衛星通信系統中，矩形波導有較低的差損特性。在天線潰電網絡、接收機等設備中，矩形波導作為三維結構的無源器件，得到廣泛使用。有源電路如固態芯片一般是基于二維微帶電路設計，在有源電路和無源波導集成的系統中，需要二維結構和三維結構之間的過渡，一般采用波導微帶過渡的形式。

說到衛星通信，不得不說接收機，它是衛星通信下行鏈路建立的關鍵設備，接收機的噪聲系數指標和天線的增益指標，直接決定系統的G/T值。而G/T值是衡量衛星通信系統下行鏈路的關鍵指標，決定系統接收信號的好壞，決定系統接收質量的好壞。接收機設計的關鍵就是低噪聲放大器的設計，而低噪聲放大器設計的關鍵，就是噪聲系數指標和輸入駐波特性。

低噪聲放大器設計，需要根據低噪聲管的管芯阻抗特性參數，設計相應的輸入匹配以及相應的噪聲匹配。設計一種匹配，設計起來比較容易實現，難就難在怎么把輸入匹配和噪聲匹配都設計好[1]。實現噪聲匹配的時候，輸入匹配也不差，這是一個矛盾的兩個參數，往往把一個指標匹配好了，另一個指標要變差，反之也是如此。所以設計時需要找到一個平衡點，讓兩者離最佳匹配點盡可能近，兩者的指標都可以接受。

本文給大家介紹一種適用于衛星通信的Ku擴展頻段低噪聲放大器，采用波導到同軸再到微帶線的形式設計無源過渡部分；采用最佳噪聲匹配，同時優化輸入匹配，設計有源放大部分。

1 低噪聲放大器設計

低噪聲放大器設計原理圖如圖1所示。它由兩部分組成：一個是無源電路部分—— 波導同軸微帶過渡；另外一個是有源電路部分—— 低噪聲放大。無源電路實現波導三維結構與微帶平面二維結構之間的過渡；有源電路實現對高頻微弱信號的低噪聲放大。

圖1 低噪聲放大器設計原理圖

在三維高頻電磁仿真軟件 HFSS里，建立了一種波導同軸微帶探針過渡的 HFSS仿真模型，如圖 2（a）所示，波導選用 WR-75標準波導。該模型在波導的E面中心插入同軸探針，通過調整同軸探針距波導短路面的距離、同軸探針插入的深度、同軸探針的尺寸等參數，優化端口輸入駐波。

建模時，選用 20 mil厚度的 RO3003作為基板材料，選用聚四氟乙烯作為絕緣子，選用銅作為導體材料。將絕緣子的高度設置為 2 mm，絕緣子的直徑設置為參數fei1，將探針的直徑設置為參數 fei2，探針的高度設置為參數 h1，將波導短路面與探針的距離設置為參數 s。在HFSS中，改變各參數值，優化端口輸入駐波。

優化后的端口輸入駐波曲線如圖 2（b）所示。在頻率11.0 GHz-14.0 GHz的頻帶范圍內，端口輸入駐波小于 -20.0 dB。該模型可以將矩形波導中的 TE10模過渡到微帶線的準 TEM波，性能良好。表 1列出了優化后的各參數值。

圖2（a）探針過渡模型

圖2（b）端口輸入駐波曲線

表1 各參數值（單位：mm）

在電路仿真軟件 ADS中建立低噪聲放大器的仿真模型，如圖 3（a）所示。添加低噪聲放大器設計常用的功能控件，如穩定性因子、頻率掃描等。該低噪聲放大器采用 3級低噪放管的結構形式：第一級的輸入采用最佳噪聲匹配，第一級和第二級間考慮最佳噪聲匹配同時兼顧輸入匹配，第二級和第三級間考慮最大增益匹配同時兼顧輸出匹配，第三極輸出匹配考慮最佳輸出匹配[2]。在設計輸入匹配時，把波導同軸微帶轉換、輸入匹配網絡在 HFSS中建模，仿真優化結果導成 s2p文件[3]，在ADS中建模引用，進行聯合仿真。在高頻，尤其到 Ku頻段或 Ka頻段，必須把影響輸入匹配的各種因素考慮進去，包括結構的、空間耦合的等因素。根據以往的設計發現，這樣設計仿真的結果和實際的測試結果吻合度較高。

在頻率 11.45 GHz-12.75 GHz的頻帶范圍內，輸入駐波小于 -19.8 dB，如圖 3（b）所示；噪聲系數小于 0.60 dB，如圖 3（c）所示；增益大于 34.25 dB，如圖 3（d）所示。從仿真曲線看，該設計能夠很好的滿足使用要求。

根據仿真模型進行結構設計，繪制 PCB圖。進行結構設計時，考慮腔體的獨立性，為了防止信號從一個腔體串擾到另一個腔體，防止自激產生，應該采取如下措施：

（1）設計 3個小腔，每個腔體里放置一級放大器；腔體之間通過隔直電容連接；腔體蓋上貼吸波材料。

（2）上下層分腔，電源板置于上層腔體，射頻板置于下層腔體。

圖3（a） ADS仿真模型

圖3（b） 輸入駐波曲線

圖3（c） 噪聲系數曲線

圖3（d） 增益曲線

（3）腔體的自有頻率盡量高，遠離有用頻率。根據以上仿真模型和 PCB、腔體設計的注意事項，制作出了實物，圖 4給出了 Ku擴展頻段低噪聲放大器的實物圖。該實物的外形尺寸是：60 mm×38 mm ×38 mm。輸入采用標準矩形波導，型號 WR75；輸出接口采用玻珠燒結，外接 2.92-K接頭。

圖4 Ku擴展頻段低噪聲放大器實物圖

2 測試分析

利用矢量網絡分析儀構建測試環境、測試增益和輸入駐波特性。在衛星接收Ku頻段內，端口輸入駐波小于 -17 dB，增益大于29.3dB，如圖 5（a）所示。

利用噪聲系數分析儀，構建測試環境，測試噪聲系數特性。在接收頻帶內噪聲系數小于 1.03 dB，減去接頭損耗 0.2 dB，真實值小于 0.80 dB，如圖 5（b）所示。

從實測曲線可以看出，設計的 Ku擴展頻段低噪聲放大器具有帶寬大、噪聲低、端口輸入駐波優的特點。

圖5（a）矢網實測曲線

圖5（b）噪聲儀實測表

3 結束語

本文設計的擴展頻段低噪聲放大器，適用于 Ku頻段衛星通信。在衛星接收 Ku頻段內，端口輸入駐波小于 -17 dB，噪聲系數小于 0.80 dB，實測值和仿真值吻合度較好。該設計頻帶寬大、噪聲低、輸入駐波優，在衛星通信地面接收系統中，具有一定的實用價值；該設計可以用于 Ku頻段衛星通信的接收機、收發信機等產品中，有一定的推廣價值；本文介紹的設計方法，對 Ka頻段的低噪聲放大器的設計，有一定的借鑒意義。