在高溫超導濾波器后級的低溫低噪聲放大器的設計和調試方法

本文選用atf-54143型晶體管，采用常溫下晶體管的S參數進(jìn)行設計，并主要采用集總元件實(shí)現電路匹配。詳細分析了如何設計匹配電路來(lái)滿(mǎn)足放大器各項指標要求，并提出了低溫環(huán)境下的調試方法。

圖1 超導濾波器系統
1 放大器設計

將放大器電路按圖2作簡(jiǎn)化，由于1.9GHz-2GHz屬于L波段，選擇集總元件作匹配電路可以有效減小電路尺寸。設計方法同常溫下設計低噪聲放大器的方法一致，通過(guò)微波仿真軟件ADS幫助計算，綜合考慮功率匹配，噪聲匹配和駐波匹配，在保證放大器絕對穩定的前提下找到平衡點(diǎn)，使得各指標滿(mǎn)足性能要求。

圖2 放大器示意圖

噪聲系數是優(yōu)先考慮的對象，晶體管的噪聲由下式?jīng)Q定：

輸出匹配電路為了穩定性的考慮通常要加入損耗元件，其功率匹配和駐波匹配不再一致，設計的主要任務(wù)是得到需要的ΓL值的同時(shí)改善輸出駐波匹配。

2 放大器的研制和低溫下調試

根據設計的電路繪制PCB版圖，焊接元件，封裝等一系列步驟以后，研制出需要的放大器（圖3）。在70K超導溫度下測量，發(fā)現其性能和設計有較大偏差，這一方面是由于實(shí)際電路中大量短微帶線(xiàn)的影響，各分立元件的離散性，和軟件模擬晶體管性能的誤差。更重要原因的是晶體管特性在如此低的溫度下發(fā)生的顯著(zhù)的變化。根據德國波鴻大學(xué)Helmut Piel 教授小組對atf54143晶體管低溫特性的測量，其S參數較常溫都呈現往高頻偏移的特性[3]。

圖3 放大器實(shí)物圖

由此可見(jiàn)，根據實(shí)測結果對電路的部分元件進(jìn)行調整是必需的。調試的步驟可歸納為低溫下測量 ━ 理論計算偏差值 ━ 常溫下置換元件 ━ 低溫下測量的循環(huán)過(guò)程，直到獲得滿(mǎn)意的性能。

放大器的調試主要就是匹配點(diǎn)的調試，借助Smith圓圖將使這個(gè)過(guò)程變得直觀(guān)方便。以輸入駐波為例，根據低溫下網(wǎng)絡(luò )分析儀測得的Γ1值利用史密斯圓圖可以反推Γin值，然后計算使Γ1=0的C1*,L1*取值。值得注意的是，放大器兩端的引線(xiàn)和SMA接頭的長(cháng)度lin必須加入計算。圖4形象地展示了計算的過(guò)程。

C1，L1作為貼片元件，其元件值都是分立的，經(jīng)常出現元件系列中沒(méi)有需要的元件值的情況，這給調試帶來(lái)一定的困難。采用可調微帶電抗可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。圖4中給出了可調微帶電容的結構，一個(gè)電容后端接了一段開(kāi)路微帶線(xiàn)，根據微帶線(xiàn)理論，此支路等效阻抗Z1由（3）式?jīng)Q定：

其中，β由微帶線(xiàn)寬高比W/h和介質(zhì)介電常數決定，通過(guò)改變微帶線(xiàn)寬W可以改變參數β。于是我們可以通過(guò)調節微帶線(xiàn)的L與W來(lái)微調接入阻抗Z的值。這樣的結構相當于一個(gè)連續可調的電容C’。增加這樣一個(gè)可調微帶電容結構以后，支路電容值可以通過(guò)切割或者粘貼微帶線(xiàn)連續可調，給低溫調試帶來(lái)極大的便利。類(lèi)似的，如果使用一段末端接地的短微帶線(xiàn)作為支路，則相當于一個(gè)可調電感，同樣可以用來(lái)調試放大器電路。

圖4 Smith圓圖和可調微帶電容
上述調試方法適用于L波段，對于更高的微波頻段，電路分布效應進(jìn)一步增加，需要更精確的調試方法。最后，經(jīng)過(guò)調試的低溫低噪聲放大器在70K溫度下1.9GHz-2GHz通帶內滿(mǎn)足增益大于18，輸入輸出反射損耗小于-20dB，噪聲低于0.5dB，滿(mǎn)足性能要求并且和超導濾波器匹配良好（圖5）。

圖5 低溫低噪聲放大器性能

3 結論

本文介紹了低溫下低噪聲放大器的設計調試方法?？偨Y了綜合考慮功率匹配，駐波匹配和噪聲匹配的設計思路。針對低溫下放大器性能和常溫相比有很大改變的情況，提出了利用Smith圓圖和微帶可調電容結構的調試方法，并成功研制出工作在高溫超導濾波器系統中頻率范圍為1.9G-2GHz的低溫低噪聲放大器，其各項指標均達到要求，該方法對于L波段均適用。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn):
1． 介紹工作在超低溫(70K)下的超導濾波器系統中低噪聲放大器的研制方法。
2． 利用Smith圓圖和可調微帶電容進(jìn)行低溫下調試
3． 并研制出了高性能的1.9GHz-2GHz頻段的低溫低噪聲放大器。

參考文獻:
[1] Klauda. M, Kasser. T, Mayer. B.“Superconductors and Cryogenics for Future Communication Systems”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2000;48(7):1228.
[2] 李宗謙.《微波工程基礎》.清華大學(xué)出版社，2004：168.
[3] 王昕，王凡，張曉平等. “場(chǎng)效應器件低溫特性與低噪聲放大器”.低溫物理學(xué)報，2005;27(2):159-164.
[4] 王昌林，李東生，張勇. “一種射頻CMOS低噪聲放大器的設計”. 微計算機信息，2006.12:117-119

作者簡(jiǎn)介：
蔡康康 男，1983年11月生于浙江，2004年畢業(yè)于清華大學(xué)電子工程系并獲清華大學(xué)學(xué)士學(xué)位?，F為清華大學(xué)物理系碩士研究生，研究方向主要為超導系統中低噪聲放大器設計。
Email:caikangkang00@mails.tsinghua.edu.cn; 聯(lián)系電話(huà):13693322200
曹必松（1946- ),男,清華大學(xué)物理系博導,研究方向：超導物理的基礎研究，超導電子學(xué)應用研究。