4～8 GHz寬帶單片集成低噪聲放大器設計

摘要 基于0．15μm GaAs PHEMT工藝設計了一款C波段寬帶單片集成低噪聲放大器。電路由三級放大器級聯(lián)而成，三級電路結構均使用電阻自偏壓技術(shù)來(lái)實(shí)現單電源供電，它既可保證PHEMT管處于低噪聲高增益的工作點(diǎn)，又可將所有元器件集成在單片GaAs襯底上，解決了供電復雜的問(wèn)題。第三級電路采用了并聯(lián)負反饋結構，降低了帶內低頻端增益，提高了高頻端增益，從而改善了增益平坦度。利用微波仿真軟件AWR對電路進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，結果顯示，在4～8GHz頻帶內，噪聲系數1．4dB，增益達23±0．5dB，輸入輸出駐波比2．0：1。
關(guān)鍵詞 自偏置；低噪聲放大器；PHEMT；單片微波集成電路；C波段

低噪聲放大器位于通信系統接收機的前端，可使整機系統噪聲系數降低，從而提高系統接收靈敏度。隨著(zhù)微波、毫米波技術(shù)的發(fā)展，接收機系統對低噪聲放大器工作頻帶及噪聲系數等性能的要求不斷提高。
寬帶低噪聲放大器中，由于場(chǎng)效應管柵極-漏極電容的存在，功率增益隨頻率的增加以大約6 dB／倍頻的斜率下降，而且帶寬內增益不穩定。增益補償的寬帶技術(shù)通常有4種電路形式：有源匹配式、電阻性阻抗匹配式、平衡電路式、行波式、負反饋式。負反饋式電路結構相對簡(jiǎn)單、體積小、成本低、成品率較高，對于單片低噪聲放大器而言，采用負反饋式結構是較為普遍的方式。
近年來(lái)，基于GaAs HEMT工藝，采用負反饋技術(shù)的X、K、W等各波段寬帶單片低噪聲放大器皆有報道。文獻提出一種C波段內5～6 GHz寬帶單片低噪聲放大器，采用GaAs PHEMT工藝，利用負反饋技術(shù)實(shí)現良好的性能。然而工作于4～8 GHz頻段，帶寬達4 GHz的單片微波集成低噪聲放大器幾乎未曾報道。
文中提出一款采用負反饋技術(shù)、具有自偏置結構的4～8 GHz寬帶單片低噪聲放大器。該放大器的單電源供電，與雙電源供電相比，無(wú)需外接復雜的時(shí)序電源電路來(lái)實(shí)現正、負壓按次序接入放大器的功能，既可保證PHEMT管處于低噪聲高增益的工作點(diǎn)，又可將所有元器件集成在單片GaAs襯底上，使用方便。整個(gè)電路具有寬頻帶、高穩定性、低噪聲、高增益等優(yōu)良特性。

1 電路設計
1．1 電路拓撲結構
根據級聯(lián)放大器噪聲系數表達式

可知，第一級的噪聲系數和增益基本決定了整個(gè)電路的噪聲系數。本設計的三級放大電路中，在第一級電路中的晶體管源極添加合適的反饋電感L1，使晶體管最佳噪聲匹配點(diǎn)與最佳駐波匹配點(diǎn)更接近，從而使放大器噪聲匹配更容易，尤其在帶寬較寬的情況。三級電路都采用了電阻自偏壓網(wǎng)絡(luò )結構，在第三級PHEMT管柵極和漏極之間接入RLC并聯(lián)電路以獲得良好的增益平坦度。
各級輸入匹配采用T型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò )，第一級輸入匹配采用噪聲匹配，其他輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò )采用共軛匹配，使放大器能夠同時(shí)擁有低噪聲系數和高功率輸出能力。為了便于級聯(lián)，輸入、輸出端都以50Ω串聯(lián)電阻為標準，并在級聯(lián)間加入電容以阻隔后級的直流偏置。圖1給出了三級低噪聲放大器的電路拓撲結構圖，虛線(xiàn)框(a、b、c)為電阻自偏壓電路，虛線(xiàn)框(d)為并聯(lián)負反饋電路。

1．2 理論分析
常見(jiàn)并聯(lián)負反饋的單級放大器結構及理想小信號模型如圖2(a)，圖2(b)所示。在柵極和漏極之間添加由電容Cf和電阻Rf串聯(lián)形成的反饋支路，Rf為反饋電阻，電容Cf主要起隔斷直流的作用。