寬頻帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方案

　　引言

　　寬頻帶低噪聲放大器（Broadband Low Noise Amplitier，BBLNA）是通信、測(cè)控等接收系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的噪聲系數(shù)、增益及頻響特性等指標(biāo)直接影響著接收系統(tǒng)的主要性能。因此在寬頻帶接收系統(tǒng)領(lǐng)域，寬頻帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)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頻率的升高而降低，以每倍頻程大約3~5 dB規(guī)律下降。為獲得較寬又較平坦的頻響特性，就必須對(duì)增益滾降進(jìn)行補(bǔ)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(shù)也將變大。但是對(duì)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(fù)雜性。盡管寬頻帶低噪聲放大器的電路結(jié)構(gòu)有多種形式，但采用Lange耦合器設(shè)計(jì)的平衡式放大器有噪聲方面的優(yōu)點(diǎn)，其噪聲系數(shù)與單端低噪聲放大器差不多，而在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，可以完全按照最佳噪聲匹配設(shè)計(jì)，不必兼顧輸入、輸出駐波比。因此選擇平衡式電路結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行寬頻帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。

　　1 設(shè)計(jì)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(jì)算的復(fù)雜性，輸入、輸出駐波比好，噪聲小，工作頻帶可達(dá)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(jié)構(gòu)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(shì)。設(shè)計(jì)思路是利用幾條耦合線彼此平行，使得線的兩邊都產(chǎn)生耦合從而實(shí)現(xiàn)緊耦合，并通過(guò)補(bǔ)償相速達(dá)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(shè)計(jì)。

　　3 設(shè)計(jì)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(hào)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(duì)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(hào)分別為 GP1，GP2，GP1相位為-270°，GP2相位為0°。兩路信號(hào)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(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）由于每只低噪聲器件只承擔(dān)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(yīng)動(dòng)態(tài)范圍也增大3 dB，三階交調(diào)約改善6 dB.

　?。?）端口駐波比得到很大改善，現(xiàn)假設(shè)V1，V2的反射系數(shù)相等，射頻信號(hào)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A1端口沒(méi)有反射功率。另外，V1，V2的反射功率在A4端口相疊加，需要加50 Ω匹配負(fù)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.

　　（3）提高了放大器工作的穩(wěn)定性，放大器穩(wěn)定性的判定條件如下：

　　式中：△=S11S22-S12S21，K為穩(wěn)定因子。當(dāng)同時(shí)滿(mǎn)足上面三個(gè)條件時(shí)，放大器絕對(duì)穩(wěn)定?？梢宰C明平衡式放大器的穩(wěn)定性判別系數(shù)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(hào)源或者負(fù)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(wěn)定性，然而只要匹配電路設(shè)計(jì)良好，A1端口和B1端口之間就是絕對(duì)穩(wěn)定的。這個(gè)特性在寬頻帶接收系統(tǒng)中很重要，特別在天線與放大器匹配時(shí)，效果將更加明顯。

　?。?）平衡放大器最低噪聲系數(shù)和單端放大器基本相同，但在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，可以完全按照最佳噪聲匹配設(shè)計(jì)，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的常用結(jié)構(gòu)是λg/4高阻抗微帶線，其終端采用扇形線或電容對(duì)高頻短路，這種結(jié)構(gòu)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，可采用微帶線中心跳線型式的偏壓引入線，即把跳線焊接在微帶中心軸線上，在理想狀態(tài)下微帶線中心正上方空間處沒(méi)有電場(chǎng)分布。跳線外端焊點(diǎn)對(duì)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。由于跳線直徑對(duì)電感量影響較弱，長(zhǎng)度對(duì)電感量影響較大，需準(zhǔn)確控制。跳線可適當(dāng)離開(kāi)基片表面，以減小地板對(duì)電感量的影響。另外還需考慮電源的低頻濾波和級(jí)間低頻去耦電容，去耦和旁路電路要足夠大，以免出現(xiàn)低頻振蕩。微帶電路中的隔直電容盡量采用高Q值、高穩(wěn)定溫度系數(shù)、無(wú)諧振及低損耗的寬頻帶表貼電容，如美國(guó)DLI公司 C06系列產(chǎn)品。屏蔽盒體橫向?qū)挾葢?yīng)小于最高工作頻率的半波長(zhǎng)，以避免盒體內(nèi)部空間產(chǎn)生波導(dǎo)傳輸效應(yīng)。微帶基片應(yīng)保持良好接地，固定螺釘?shù)臄?shù)量要相對(duì)多一點(diǎn)，最好螺釘孔的孔壁金屬化接地。調(diào)試時(shí)在盒體的上蓋板內(nèi)表面貼敷相應(yīng)頻段吸波材料，以減小空間耦合所引起的帶內(nèi)增益起伏。

　　寬頻帶低噪聲放大器還需要進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，首先對(duì)進(jìn)入屏蔽盒的電源線使用帶饋通濾波器的穿芯電容進(jìn)行濾波，減小通過(guò)電源線所帶來(lái)的串?dāng)_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(tǒng)時(shí)能兼容工作；最后還需對(duì)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(qiáng)電磁兼容工作，有利于產(chǎn)品通過(guò)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容測(cè)試。

　　4 設(shè)計(jì)實(shí)例仿真

　　根據(jù)某任務(wù)研制要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)工作于L/S頻段的低噪聲放大器，主要技術(shù)指標(biāo)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(shù)Nf≤1.1 dB;輸入、輸出駐波比不大于1.5.依據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，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(shè)計(jì)，此電路增益明顯滿(mǎn)足不了指標(biāo)要求，需要增加一級(jí)高增益且噪聲較低的帶內(nèi)匹配電路的放大器，如Stanford公司生產(chǎn)的SAN-386內(nèi)匹配晶體管。根據(jù)多級(jí)放大器噪聲計(jì)算公式：

　　式中：F為兩級(jí)放大器總的噪聲系數(shù)，F(xiàn)1，F(xiàn)2分別為第一、二級(jí)的噪聲系數(shù)，G1，G2分別為第一、二級(jí)的增益。通過(guò)該公式可以明顯看出，級(jí)聯(lián)后的噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，且第一級(jí)增益越大，后級(jí)對(duì)總噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)就越小。

　　兩只NE42484A場(chǎng)效應(yīng)管的S參數(shù)盡量選擇一致，微帶基片選用介電常數(shù)為9.2、厚度為1 mm的復(fù)合介質(zhì)基板，利用ADS軟件建立仿真電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(dāng)于若干條微帶線相互串聯(lián)而成。根據(jù)NE42484A場(chǎng)效應(yīng)管和SAN-386晶體管的S參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，常用的優(yōu)化方式分為隨機(jī)優(yōu)化和梯度優(yōu)化，隨機(jī)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(shè)定少量的可變參數(shù)，對(duì)放大器的各個(gè)指標(biāo)分步驟進(jìn)行優(yōu)化，先用100~200步的隨機(jī)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(dá)最優(yōu)結(jié)果。

　　仿真結(jié)果見(jiàn)圖3.在1.2~2.5 GHz的工作頻帶內(nèi)，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(nèi)增益在35~37 dB之間；噪聲系數(shù)不大于0.8 dB;輸入、輸出駐波比均小于1.5.仿真分析結(jié)果表明，采取這種設(shè)計(jì)方案可以滿(mǎn)足研制要求。通過(guò)仿真優(yōu)化后的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繪制微帶電路板，注意要在匹配微帶線加入隔離小島，以方便調(diào)試時(shí)更改微帶線的尺寸，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(qiáng)電路的接地性能，如圖 4所示。圖中標(biāo)有V1，V2處是待焊接的兩只NE42484A場(chǎng)效應(yīng)管，V3處是待焊接的SAN-386晶體管。

　　在放大器的生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)重要環(huán)節(jié)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(diào)試。Lange耦合器的耦合線間需要粘結(jié)跳線，如圖1所示，試驗(yàn)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，且耦合線問(wèn)采用單根跳線或多根跳線性能指標(biāo)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇專(zhuān)業(yè)廠家生產(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(diào)試時(shí)通過(guò)微調(diào)線圈間距來(lái)改變電感大小，實(shí)現(xiàn)電路的最佳匹配，調(diào)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(diào)試后對(duì)所要求的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，在1.2~2.5 GHz的工作頻帶內(nèi)，增益在33~35 dB之間，比仿真結(jié)果小2 dB左右；噪聲系數(shù)不大于1dB，比仿真結(jié)果偏大0.2dB左右；輸入、輸出駐波比跟仿真結(jié)果基本一致。因此該寬頻帶低噪聲放大器各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足研制任務(wù)要求。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　采用Lange耦合器的寬頻帶特性設(shè)計(jì)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(wěn)定性也比較好，并通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例的仿真和測(cè)試結(jié)果對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。