寬頻帶低噪聲放大器的設計方案

　　引言

　　寬頻帶低噪聲放大器（Broadband Low Noise Amplitier，BBLNA）是通信、測控等接收系統的關(guān)鍵部件，它的噪聲系數、增益及頻響特性等指標直接影響著(zhù)接收系統的主要性能。因此在寬頻帶接收系統領(lǐng)域，寬頻帶低噪聲放大器的設計將具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。各種低噪聲器件的功率增益都是隨著(zhù)頻率的升高而降低，以每倍頻程大約3~5 dB規律下降。為獲得較寬又較平坦的頻響特性，就必須對增益滾降進(jìn)行補償?？墒怯幸饨档偷皖l段的增益必然使輸入、輸出駐波比變壞，同時(shí)噪聲系數也將變大。但是對于寬頻帶低噪聲放大器來(lái)說(shuō)，一般不可能使用隔離器來(lái)改善駐波比。另外，低噪聲器件的輸入、輸出阻抗也隨頻率有較大變化，更增加了匹配電路的復雜性。盡管寬頻帶低噪聲放大器的電路結構有多種形式，但采用Lange耦合器設計的平衡式放大器有噪聲方面的優(yōu)點(diǎn)，其噪聲系數與單端低噪聲放大器差不多，而在設計匹配電路時(shí)，可以完全按照最佳噪聲匹配設計，不必兼顧輸入、輸出駐波比。因此選擇平衡式電路結構來(lái)進(jìn)行寬頻帶低噪聲放大器的設計。

　　1 設計原理

　　平衡式寬頻帶低噪聲放大器由兩只低噪聲器件和兩個(gè)Lange耦合器組成，其中兩支低噪聲器件及其匹配電路網(wǎng)絡(luò )完全一致，減小了匹配電路計算的復雜性，輸入、輸出駐波比好，噪聲小，工作頻帶可達1~2倍頻程。

　　2 Lange耦合器

　　Lange耦合器又稱(chēng)90°三分貝電橋，其結構示意圖如圖1所示，在寬頻帶和緊耦合特性上比其他耦合器有非常突出的優(yōu)勢。設計思路是利用幾條耦合線(xiàn)彼此平行，使得線(xiàn)的兩邊都產(chǎn)生耦合從而實(shí)現緊耦合，并通過(guò)補償相速達到改善帶寬。常用的微波電路仿真軟件幾乎都建有典型模型，以便于輔助設計。

　　3 設計原理

　　平衡式寬頻帶低噪聲放大器原理圖見(jiàn)圖2，若輸入射頻信號fin的功率和相位分別為P和0°，經(jīng)Lange耦合器等分為P1，P2兩部分。P1相位為 -90°，P2相位為-180°，分別由兩只經(jīng)過(guò)配對的低噪聲器件放大。由于匹配電路一致，增益G相同，傳輸相移皆改變180°，放大后的兩路信號分別為 GP1，GP2，GP1相位為-270°，GP2相位為0°。兩路信號再經(jīng)耦合器合成后，在B4端口GP1，GP2大小相等，相位相差180°，沒(méi)有功率輸出；在B1端口GP1，GP2相位相同，兩部分功率疊加輸出fout，其大小為GP1+GP2=G（P1+P2）=GP.即在理想狀態(tài)下，平衡式寬頻帶低噪聲放大器的增益等于單只低噪聲器件的增益。

　　采用平衡式電路結構具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）由于每只低噪聲器件只承擔一半功率放大，則放大器輸出功率1 dB壓縮點(diǎn)將增大3 dB，相應動(dòng)態(tài)范圍也增大3 dB，三階交調約改善6 dB.

　?。?）端口駐波比得到很大改善，現假設V1，V2的反射系數相等，射頻信號fin由耦合器A1端口輸入，等分成兩部分由A2，A3端口輸出，A2端口的反射功率再回到A1端口，總路徑相移為-180°；A3端口的反射功率再回到A1端口，總路徑相移為-360°，顯然兩部分反射功率大小相等，相位相反而抵消，因此在A(yíng)1端口沒(méi)有反射功率。另外，V1，V2的反射功率在A(yíng)4端口相疊加，需要加50 Ω匹配負載RL進(jìn)行吸收。通過(guò)耦合器的移相作用，理想情況下端口駐波比恒為1.

　?。?）提高了放大器工作的穩定性，放大器穩定性的判定條件如下：

　　式中：△=S11S22-S12S21，K為穩定因子。當同時(shí)滿(mǎn)足上面三個(gè)條件時(shí)，放大器絕對穩定?？梢宰C明平衡式放大器的穩定性判別系數K恒大于1. 在圖2中，A1端口和B1端口理論上是無(wú)反射的，不存在由于信號源或者負載的反射可能造成的自激振蕩。盡管單只低噪聲器件本身在低頻段存在潛在不穩定性，然而只要匹配電路設計良好，A1端口和B1端口之間就是絕對穩定的。這個(gè)特性在寬頻帶接收系統中很重要，特別在天線(xiàn)與放大器匹配時(shí)，效果將更加明顯。

　?。?）平衡放大器最低噪聲系數和單端放大器基本相同，但在設計匹配電路時(shí)，可以完全按照最佳噪聲匹配設計，以獲得理想最小噪聲匹配，不必兼顧駐波比。

　　在窄頻帶低噪聲放大器中，直流偏壓供電引入線(xiàn)的常用結構是λg/4高阻抗微帶線(xiàn)，其終端采用扇形線(xiàn)或電容對高頻短路，這種結構可用的工作頻帶最高不過(guò) 40%~50%帶寬。因此在寬頻帶低噪聲放大器電路中，不可能再用這種形式的偏壓引入線(xiàn)，可采用微帶線(xiàn)中心跳線(xiàn)型式的偏壓引入線(xiàn)，即把跳線(xiàn)焊接在微帶中心軸線(xiàn)上，在理想狀態(tài)下微帶線(xiàn)中心正上方空間處沒(méi)有電場(chǎng)分布。跳線(xiàn)外端焊點(diǎn)對微帶邊沿的距離至少要大于基片厚度，以保證焊接點(diǎn)在電場(chǎng)之外。由于跳線(xiàn)直徑對電感量影響較弱，長(cháng)度對電感量影響較大，需準確控制。跳線(xiàn)可適當離開(kāi)基片表面，以減小地板對電感量的影響。另外還需考慮電源的低頻濾波和級間低頻去耦電容，去耦和旁路電路要足夠大，以免出現低頻振蕩。微帶電路中的隔直電容盡量采用高Q值、高穩定溫度系數、無(wú)諧振及低損耗的寬頻帶表貼電容，如美國DLI公司 C06系列產(chǎn)品。屏蔽盒體橫向寬度應小于最高工作頻率的半波長(cháng)，以避免盒體內部空間產(chǎn)生波導傳輸效應。微帶基片應保持良好接地，固定螺釘的數量要相對多一點(diǎn)，最好螺釘孔的孔壁金屬化接地。調試時(shí)在盒體的上蓋板內表面貼敷相應頻段吸波材料，以減小空間耦合所引起的帶內增益起伏。

　　寬頻帶低噪聲放大器還需要進(jìn)行電磁兼容設計，首先對進(jìn)入屏蔽盒的電源線(xiàn)使用帶饋通濾波器的穿芯電容進(jìn)行濾波，減小通過(guò)電源線(xiàn)所帶來(lái)的串擾問(wèn)題；其次需要解決好放大器的端口匹配，確保集成到接收系統時(shí)能兼容工作；最后還需對盒體采取電磁屏蔽措施，減小因電磁輻射所帶來(lái)的干擾問(wèn)題。在研發(fā)階段加強電磁兼容工作，有利于產(chǎn)品通過(guò)相應標準電磁兼容測試。

　　4 設計實(shí)例仿真

　　根據某任務(wù)研制要求，需要設計一個(gè)工作于L/S頻段的低噪聲放大器，主要技術(shù)指標包括：工作頻率為1.2~2.5 GHz;P-1dB≥10 dBmW;增益G≥32 dB;噪聲系數Nf≤1.1 dB;輸入、輸出駐波比不大于1.5.依據以往工程經(jīng)驗，選用兩只NEC公司生產(chǎn)的NE42484A低噪聲器件進(jìn)行平衡式電路設計，此電路增益明顯滿(mǎn)足不了指標要求，需要增加一級高增益且噪聲較低的帶內匹配電路的放大器，如Stanford公司生產(chǎn)的SAN-386內匹配晶體管。根據多級放大器噪聲計算公式：

　　式中：F為兩級放大器總的噪聲系數，F1，F2分別為第一、二級的噪聲系數，G1，G2分別為第一、二級的增益。通過(guò)該公式可以明顯看出，級聯(lián)后的噪聲系數主要取決于第一級放大器的噪聲系數，且第一級增益越大，后級對總噪聲系數的貢獻就越小。

　　兩只NE42484A場(chǎng)效應管的S參數盡量選擇一致，微帶基片選用介電常數為9.2、厚度為1 mm的復合介質(zhì)基板，利用ADS軟件建立仿真電路拓撲結構，匹配電路的形式選擇微帶阻抗變換型匹配法，該匹配法在形式上相當于若干條微帶線(xiàn)相互串聯(lián)而成。根據NE42484A場(chǎng)效應管和SAN-386晶體管的S參數進(jìn)行仿真優(yōu)化設計，常用的優(yōu)化方式分為隨機優(yōu)化和梯度優(yōu)化，隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局域收斂。優(yōu)化時(shí)可設定少量的可變參數，對放大器的各個(gè)指標分步驟進(jìn)行優(yōu)化，先用100~200步的隨機法進(jìn)行優(yōu)化，后用20~30步的梯度法進(jìn)行優(yōu)化，一般可達最優(yōu)結果。

　　仿真結果見(jiàn)圖3.在1.2~2.5 GHz的工作頻帶內，輸出功率1 dB壓縮點(diǎn)在器件的選擇時(shí)已經(jīng)保證；帶內增益在35~37 dB之間；噪聲系數不大于0.8 dB;輸入、輸出駐波比均小于1.5.仿真分析結果表明，采取這種設計方案可以滿(mǎn)足研制要求。通過(guò)仿真優(yōu)化后的電路拓撲結構繪制微帶電路板，注意要在匹配微帶線(xiàn)加入隔離小島，以方便調試時(shí)更改微帶線(xiàn)的尺寸，獲得更好的性能；在電路的四周大面積附銅，并留下較密集的金屬化接地過(guò)孔，增強電路的接地性能，如圖 4所示。圖中標有V1，V2處是待焊接的兩只NE42484A場(chǎng)效應管，V3處是待焊接的SAN-386晶體管。

　　在放大器的生產(chǎn)調試過(guò)程中發(fā)現有兩個(gè)重要環(huán)節需要注意，一個(gè)是的加工工藝保證；另一個(gè)是供電偏置電感的調試。Lange耦合器的耦合線(xiàn)間需要粘結跳線(xiàn)，如圖1所示，試驗證明微帶電路板鍍金后采用金絲壓焊工藝可以保證可靠性和精度，且耦合線(xiàn)問(wèn)采用單根跳線(xiàn)或多根跳線(xiàn)性能指標基本不變，因此建議在實(shí)際使用時(shí)采用兩根以上并行跳線(xiàn)以提高可靠性。如果工藝條件上無(wú)金絲焊接技術(shù)，還可以采用同樣拓撲結構，選擇專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家生產(chǎn)的Lange耦合器，例如Anaren公司的小型化表貼器件。供電偏置電感需要手工成形，調試時(shí)通過(guò)微調線(xiàn)圈間距來(lái)改變電感大小，實(shí)現電路的最佳匹配，調試完成后采取硅橡膠加固，從而提高可靠性。

　　在完成放大器的調試后對所要求的各項指標進(jìn)行了實(shí)際測試，在1.2~2.5 GHz的工作頻帶內，增益在33~35 dB之間，比仿真結果小2 dB左右；噪聲系數不大于1dB，比仿真結果偏大0.2dB左右；輸入、輸出駐波比跟仿真結果基本一致。因此該寬頻帶低噪聲放大器各項指標均滿(mǎn)足研制任務(wù)要求。

　　5 結語(yǔ)

　　采用Lange耦合器的寬頻帶特性設計平衡式寬頻帶低噪聲放大器，可以獲得理想的噪聲匹配，不必兼顧駐波比，且放大器的可靠性和穩定性也比較好，并通過(guò)設計實(shí)例的仿真和測試結果對相應指標進(jìn)行了驗證。