STS-LNP型微波晶體管前置放大器

摘要：介紹了STS-LNP型微波晶體管前置放大器的電路結構與功能，詳細闡述了該放大器在獲得低噪聲系數、低電壓駐波比、平坦的增益特性、較好的工作穩定性等方面所采用的特殊方法，微波器件的選擇以及微波電路的組裝工藝措施。并對其工作原理和特性進(jìn)行了說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：微波晶體管 電路 器件 放大器

STS-LNP型微波晶體管前置放大器是一種由美國“EMP-INC”公司生產(chǎn)的低噪聲寬頻帶放大器，其電路原理如圖1所示。在用作微波數字通信系統接收機的天線(xiàn)信號放大器時(shí)，可提高接收機輸入端的信噪比S/N，增大通信距離，提高數字通信精度。該放大器的工作頻率為1450MHz～1800MHz，增益為39dB，噪聲系數最小為1.3dB，電壓駐波比為1.5：1。經(jīng)使用證明，在溫度為-20～+50℃的環(huán)境條件下能數續穩定地工作?？梢?jiàn)，該放大器在技術(shù)性能與實(shí)際應用等方面具一系列優(yōu)點(diǎn)。下面就上述幾項技術(shù)性能（低噪聲系數與低電壓駐波比，平坦的增益特性，較好的工作穩定性）和其相應的電路設計，以及特殊微波器件的應用和組裝工藝等方面進(jìn)行一些分析和說(shuō)明。

1 低噪聲系數與低電壓駐波比

在微波晶體管或一般頻段晶體管的多級低噪聲放大器的設計中，通常應用的原理是將低噪聲系數與低電壓駐波比作為第一級的主要技術(shù)性能進(jìn)行設計，而第二、三和以后幾級則按平坦的增益特性和最大功率增益等性能進(jìn)行設計。這種設計方法即可以使放大器具有低噪聲和低電壓駐波比，對可以使其具有所要求的平坦的增益特性和一定的功率增益。STS-LNP型微波晶體管前置放大器基本應用了上述設計思想。

我們知道，平衡放大器與非平衡放大器相比所具有的一個(gè)較突出的性能就是可以同時(shí)獲得低噪聲系獲得與低電壓駐波比。因此，第一級選用了平衡放大器。平衡放大器的這種低噪聲系數與低電壓駐波比性能是由其電路特征和預先設置的兩個(gè)電路工作條件所決定的。其電路特征是指它由兩個(gè)3dB定向耦合器（輸入、輸出回路中各設置一個(gè)）和一個(gè)對稱(chēng)性較好的放大器（單級為共發(fā)射極組態(tài)）組成。而兩個(gè)電路的工作條件，第一是3dB定向耦合器具有較好的單方向性傳輸特性和反射特性；第二是平衡放大器中兩只對管的S11（正入端的反射系數）、S22（輸出端的反射系數）與S21（正向傳輸系數）等參數相同。有關(guān)分析資料證明，平衡放大器在其兩個(gè)電路工作條件下，S11、S22均可近似為0，且只有S21存在。這就帶來(lái)兩具結果：第一是放大器的輸入、輸出回路都分別達到最佳阻抗匹配或是共軛匹配狀態(tài)，以使微波信號得以最有效的傳輸，從而使放大器輸入端的信噪比S/N達到最大值，最后使該放大器的噪聲電平最小，即噪聲系數最低、第二是電壓駐波比可近似為1：1（電壓駐波比 VSWR=1+S11）/（1-S11）或VSWR=（1+S22）/（1-S22），（當S11≈0或S22≈0時(shí)，VSWR≈1。）這也是放大器輸入、輸出回路中電壓駐波比最低的狀態(tài)。以上分析結論顯然是在一種理想狀態(tài)下得出的，而在實(shí)際應用中一般不可能達到S11和S22為0，但分析結果告訴我們，在設計與調試平衡放大器時(shí)，使兩只對管的S11、S22、S21等參數以及3dB定向耦合器的傳輸特性和反射持性盡量滿(mǎn)足平衡放大器的兩個(gè)電路工作條件，即可使該放大器的噪聲系數與電壓駐波比達到盡可能低的狀態(tài)。

STS-LNP型微波晶管前置放大器的低噪聲性能還與平衡放大器的工作電流設置（平衡放大器中每單極工作電流為12.5mA，二、三兩級的工作電流為10mA）有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，電流較大標志著(zhù)該放大器的功率增益高，這時(shí)就可忽略二、三兩級噪聲對整個(gè)放大器低噪聲性能的影響。本文介紹的STS-LNP型微波晶體管前置放大器就具有如同第一級那樣低噪聲性能，其電路原理圖如圖1所示。

2 平坦的增益特性

平坦的增益特性是寬頻帶多級放大器的一個(gè)重要技術(shù)指標。對于微波晶體管寬頻帶多級放大器來(lái)說(shuō)，使平坦的增益特性受影響的主要因素有以下兩點(diǎn)：第一是微波晶體管的S21系數隨 頻率的升高下降較快，通常S21 2按“6dB/倍頻程”的速率下降；第二是放大器級間輸入阻抗與輸出阻抗失配。

STS-LNP型微波晶體管前置放大器較好地處理了上述兩個(gè)問(wèn)題。對第一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，STS-LNP型微波晶體管前置放大器在工作頻段的高頻端將每級的輸入、輸出阻抗都設置在最佳阻抗匹配狀態(tài)，從而在高頻端可獲得較高的增益。這樣就可對因S21系數在高頻端的下降所產(chǎn)生的增益影響進(jìn)行一定的補償，圖1所示的三級放大器中的每級輸入端和輸出端中所并聯(lián)的不同規格的微調螺釘就起這個(gè)作用，這些微調螺釘盯當于圖1中的微調電容C1-C6。關(guān)于第二點(diǎn)，主要是指當在高頻端采用最佳阻抗匹配之后在低頻端所引起的阻抗失配。這種阻抗失配會(huì )使放大器的增益-頻率特性出現波動(dòng)，其原因在于放大器輸入端與輸出端的反射系數的相位和幅值在一些頻率上相互疊加，而在另一些頻率上又相互抵消之緣故。解決該問(wèn)題的一個(gè)有效方法是在每級的輸出端串聯(lián)一段一定長(cháng)度的傳輸線(xiàn)。對于三級微波晶體管放大器來(lái)說(shuō)，串聯(lián)λg0/4(λg0為工作頻段低端附近頻率f0的波導波長(cháng))傳輸線(xiàn)即可在f0附近使每一級的失配疚受到抑制，從而使該放大器的增益在這個(gè)頻帶內比較平穩一些。在圖1所示三級放大器中，第二、第三兩級輸出端的Z01和Z02則為λg0/4傳輸線(xiàn)之特性阻抗。因此，對于STS-Z02則為λg0/4傳輸線(xiàn)之特性阻抗。因此，對于STS-LNP型微波晶體管前置放大器來(lái)說(shuō)，由于在每級放大器的輸入、輸出回路上均并聯(lián)了微調螺釘及在第二、三級放大器的輸出端串聯(lián)了λg0/4傳輸線(xiàn)，所以該放大器在工作頻段內具有平坦的增益特性。

3 較好的工作穩定性

無(wú)論是微波晶體管放大器還是一般射頻晶體管放大器，或是其它類(lèi)型放大器，工作穩定的一個(gè)重要標志是不產(chǎn)生自激振蕩，并且遠離自激振蕩狀態(tài)。這也就是說(shuō)，自激振蕩是各種放大器存在的一個(gè)重要的不穩定因素。對微波晶體管放大器來(lái)說(shuō)，可能引起自激振蕩的因素有以下幾種：第一，線(xiàn)路中的寄生效應（元器件的引線(xiàn)電感，分布電容，寄生耦合電容等分布參數產(chǎn)生的干擾信號），輕則給放大器帶來(lái)額外噪聲，重則生產(chǎn)自激振蕩；第二，直流電壓電路（由交流電壓經(jīng)整流供電）中的紋波以及各種噪聲信號的影響；第三，微波晶體管存在較高的低頻增益（如工作頻率為2000MHz時(shí)增益為6dB，而工作頻率在10MHz時(shí)增益大到30dB）時(shí)，有可能產(chǎn)生低頻自激振蕩；第四，在工作頻率段內，微波能量有可能泄漏到直流電壓電路中，造成微波能量的損耗。針對上述幾點(diǎn)，STS-LNP型微波晶體管前置放大器從電路設計、元器件選用和組裝工藝等方面采用了一系列措施來(lái)降低或消除這些不穩定因素對放大器產(chǎn)生的不良影響，從而使該放大器具有較好的工作穩定性。下面就兩個(gè)方面分別加以說(shuō)明。

3.1 電路設計與元器件選用

STS-LMP型微波晶體管前置放大器在電路設計與元器件選用方面采用了以下幾點(diǎn)突出的措施：

（1）采用線(xiàn)路板模擬微波集成電路模式進(jìn)行元器件排列與走線(xiàn)，同時(shí)每級放大器的輸入端或輸出端均采用特性阻抗等于50Ω的徽帶線(xiàn)進(jìn)行級間信號耦合，這樣既便于放大器級間的阻抗匹配，又減小了線(xiàn)路中分布參數的影響。

（2）在每級徽波晶體管的基極偏壓電路和集電極電壓電路中分別串聯(lián)了λg/4(λg為工作頻段中心頻率的波導波長(cháng))傳輸線(xiàn)，圖1中的L1～L4為其等效電感，它們對微波信號所起的高陰抗扼流作用，有效地阻止了工作頻段內的微波能量匯漏到直流電壓電路中，從而防止了微波能量的損耗；

（3）直流電壓電路中（尤其是第一級）的濾波電容或旁路電容的數值范圍為500～1000pF，這樣既能有效克服因微波晶體管低頻增益較大可能產(chǎn)生的低頻自激振蕩，同時(shí)又能起到一般濾波電路的濾波效果；

（4）微波信號電路中均選用無(wú)引線(xiàn)的薄膜電阻與薄膜電容，另外每級微波晶體管的三個(gè)電極幾乎是管腳根部直接焊接在線(xiàn)路的焊點(diǎn)上的，從而極大的減小了引線(xiàn)電感所產(chǎn)生的寄生效應；

（5）第一級的發(fā)射極電路中設置的電流負反饋電阻（51Ω）進(jìn)一步提高了放大器的穩定性。

3.2 工藝組裝

在組裝工藝方面采用了以下幾個(gè)措施：

（1）將微波信號電路（含微波元器件）與直流電壓電路（含濾波電路）分別設置在線(xiàn)路板的兩個(gè)板面（正面與反面）上，并且將整個(gè)板面設計為一層良好的金屬敷層（見(jiàn)圖2），以對微波信號起到一定的屏蔽作用；

（2）每級微波晶體管的集電極電壓與基極偏壓均在線(xiàn)路板的一端集中調節好，然后通過(guò)單根導線(xiàn)加到各級，同時(shí)在每條硬導線(xiàn)的中間點(diǎn)增設一個(gè)接線(xiàn)柱（此接線(xiàn)柱與地絕緣），另在硬導線(xiàn)與接線(xiàn)柱的接點(diǎn)到地之間再接一只容量在3000pF左右的電容（見(jiàn)圖2），這種直流電壓連線(xiàn)方式對微信號而言可等效為兩節LC濾波器（圖1中的LF1CF1～LF5CF5），因此可進(jìn)一步阻止微波信號泄漏到直流電路中，同時(shí)也加強了對直流電壓電路中紋波及其它干擾信號的濾波效果，提高了微波信號的傳輸效率與放大器的工作穩定性。