0 引言

　　在通信系統(tǒng)中， 衡量通信質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)是信噪比，而改善信噪比的關(guān)鍵就在于降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)。一個(gè)具有低噪聲放大器的接收機(jī)系統(tǒng)， 其整機(jī)噪聲系數(shù)將大大降低，從而靈敏度大大提高。因此在接收機(jī)系統(tǒng)中低噪聲放大器是很重要的部件。

　　1 電路仿真設(shè)計(jì)

　　該項(xiàng)目的微波低噪聲放大器是利用微波低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管在微波頻段進(jìn)行放大。特別需要注意的是， 因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)管都存在著內(nèi)部反饋，當(dāng)反饋量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)， 將會(huì)引起放大器穩(wěn)定性變壞而導(dǎo)致自激， 改善微波管自身穩(wěn)定性采取的是串接阻抗負(fù)反饋法，在場(chǎng)效應(yīng)管的源極和地之間串接一個(gè)阻抗電路， 構(gòu)成負(fù)反饋電路。實(shí)際的微波放大器電路中反饋元件常用一段微帶線代替，相當(dāng)于電感性元件負(fù)反饋， 這樣對(duì)電路穩(wěn)定性有所改善。

　　1. 1 確定電路形式

　　噪聲系數(shù)是低噪聲放大器的重要技術(shù)指標(biāo)之一，低的噪聲系數(shù)與低的輸入駐波在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中是一對(duì)矛盾。該項(xiàng)目低噪聲放大器在設(shè)計(jì)中摒棄了通常為實(shí)現(xiàn)低輸入駐波采用輸入加隔離器的方法，采用負(fù)反饋放大電路。負(fù)反饋放大電路具有頻帶響應(yīng)寬、輸入輸出駐波小和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

　　利用PHEMT 芯片， 應(yīng)用混合集成工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)， 在寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低噪聲系數(shù)和低駐波特性。

　　器件的選用恰當(dāng)與否直接關(guān)系到性能指標(biāo)的優(yōu)劣， 寬帶低噪聲放大器最關(guān)鍵的器件就是放大器的基礎(chǔ)——GaAs PHEMT 芯片。為滿足高增益指標(biāo)，GaAs PHEMT 應(yīng)具有盡可能高的跨導(dǎo)； 同時(shí)， 為了滿足低的噪聲系數(shù)， GaAs PHEMT 自身的噪聲系數(shù)應(yīng)盡可能低； 由于型譜產(chǎn)品頻段較高， 為了避免分布參數(shù)帶來的影響， 同時(shí)減小體積， GaAs PHEMT 選擇采用管芯。

　　該項(xiàng)目為了兼顧噪聲和增益， 所以采用2 級(jí)放大。第1 級(jí)放大器的設(shè)計(jì)必需是最佳噪聲設(shè)計(jì)， 即輸入匹配網(wǎng)絡(luò)必需是最佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)，不必追求最大增益； 第2 級(jí)放大器保證輸出功率和總增益。

　　1. 2 第1 級(jí)放大器的仿真設(shè)計(jì)

　　經(jīng)過選擇該項(xiàng)目第1 級(jí)使用Fujits 的FHX13X,其噪聲特性比較好， 使用2 個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管來進(jìn)行并聯(lián)放大設(shè)計(jì)。并聯(lián)放大器的好處在于它的低噪聲特性， 而且容易進(jìn)行匹配。為了改善穩(wěn)定性， 第1 級(jí)放大器的2 個(gè)源極和地之間各串聯(lián)一個(gè)RLC 諧振電路， 并且加入負(fù)反饋， 在柵——漏之間加入RL 串聯(lián)的反饋電路， 這樣雖然會(huì)降低增益，增加噪聲， 但是會(huì)對(duì)電路的穩(wěn)定性， 增益平坦度， 寬帶的實(shí)現(xiàn)， 輸入輸出駐波比有很大改觀。

　　利用軟件進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖1 所示。

圖1 輸入輸出反射系數(shù)仿真結(jié)果

　　如圖1 所示輸入輸出阻抗均完美的匹配好， 輸入輸出反射系數(shù)在7 ~ 8 GHz 的頻帶內(nèi)均小于- 15 dB, 在匹配的中心點(diǎn)7. 5 GHz 其更是達(dá)到了- 35. 322和- 44. 042, 可以說匹配相當(dāng)好。

　　如圖2 所示， 噪聲在7~ 8 GHz 的范圍內(nèi)低于1. 1 dB。增益在7. 5 GHz 的時(shí)候?yàn)?3. 954, 與預(yù)估值13. 955 相差無幾， 且增益平坦度小于1 dB。

　　這樣就完成了第1 級(jí)設(shè)計(jì)， 輸入輸出阻抗完美匹配， 噪聲小于1. 1 dB, 且有良好的增益為13. 954 dB。

圖2 第一級(jí)噪聲系數(shù)和增益仿真結(jié)果

　　1. 3 第2 級(jí)放大器的仿真設(shè)計(jì)

　　接下來進(jìn)行功率輸出級(jí)的設(shè)計(jì)， 功率輸出級(jí)選用的是Transcom 公司的TC1201。偏置方式采用的是自給偏置的方式，將其偏置在4 V 25 mA, 做好偏置后生成它的S2P 文件， 建模并仿真， 仿真過程同第1 級(jí)一樣。接好負(fù)反饋和穩(wěn)定性偏置，并且對(duì)器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化， 由于單靠源級(jí)的串聯(lián)電路和柵——漏間的負(fù)反饋電路不足以使得電路在7~ 8 GHz 達(dá)到穩(wěn)定，所以在柵極加入了一個(gè)對(duì)地并聯(lián)匹配電感，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 第2 級(jí)增益仿真結(jié)果

　　如圖3 可知， 輸入輸出阻抗匹配良好， 且增益最高點(diǎn)為12. 449, 與預(yù)估的12. 463 相差無幾。在7~8 GHz的頻帶內(nèi)， 輸入輸出反射系數(shù)也均小于- 20 dB, 增益均大于11. 5 dB。這樣就完成了第2級(jí)功率放大級(jí)的設(shè)計(jì)。
1. 4 兩級(jí)級(jí)聯(lián)的仿真設(shè)計(jì)

　　接下來將2 級(jí)級(jí)聯(lián)在一起， 由于第1 級(jí)的輸出端和第2 級(jí)的輸入端均完美的匹配到50 , 所以級(jí)聯(lián)也沒有什么問題， 由圖4 可以看出， 輸入輸出阻抗匹配方面， 在中心點(diǎn)7. 5 GHz 處， 均匹配良好， 駐波比在1. 086 左右。而在7~ 8 GHz 范圍內(nèi)， 駐波比也均小于2。

圖4 輸入輸出反射系數(shù)和駐波比仿真結(jié)果

　　從圖5 可以得到， 增益在中心頻率達(dá)到26. 401 dB, 在7~ 8 GHz 范圍內(nèi)也均在25 dB 以上。

　　噪聲系數(shù)在7. 5 GHz 為1. 007 dB, 應(yīng)用頻段內(nèi)的噪聲最大也不超過1. 1 dB。

圖5 高級(jí)級(jí)聯(lián)后的增益及噪聲仿真結(jié)果

　　1. 5 仿真結(jié)果分析

　　通過仿真結(jié)果可以看出， 放大器的輸入輸出駐波比、噪聲和增益等指標(biāo)基本上都合格。從設(shè)計(jì)中可以了解使用ADS 來設(shè)計(jì)低噪聲放大器的基本方法， 首先要做的就是偏置電路的設(shè)計(jì)， 然后用S 參數(shù)仿真來進(jìn)行穩(wěn)定性的判斷，若在使用頻段內(nèi)不穩(wěn)定，還需要進(jìn)行穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管工作穩(wěn)定后就要對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配。一般低噪聲放大器的第1級(jí)需要良好的噪聲特性，所以第1 級(jí)的輸入端進(jìn)行最佳噪聲阻抗到50 源負(fù)載的匹配， 輸出端進(jìn)行共軛匹配。如果要考慮到第1 級(jí)的增益輸出不能太低的話，則需要畫出增益圓圖和噪聲圓圖， 然后選擇合適的源阻抗值， 犧牲一部分噪聲來提高增益。第2級(jí)一般為功率輸出級(jí)， 需要的是最大的增益輸出，所以第2 級(jí)一般對(duì)輸入輸出同時(shí)向50 負(fù)載做共軛匹配， 在匹配之前， 需要算出最佳共軛匹配的ZS 和ZL 值，這個(gè)值只有在電路穩(wěn)定的情況下才唯一存在的。

　　2 級(jí)分別設(shè)計(jì)， 再級(jí)聯(lián)， 由于計(jì)算機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化， 通常不需調(diào)整就可達(dá)到比較滿意的效果。

　　器件參數(shù)的離散性， 以及加工誤差， 實(shí)際加工出來的結(jié)果有一些微小差異， 這就需要在實(shí)際調(diào)試中， 稍微調(diào)整一下分布參數(shù)，就可達(dá)到最佳的效果。

　　2 結(jié)束語

　　該放大器利用ADS2008 優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真， 在研制過程中， 通過優(yōu)化噪聲系數(shù)、增益和輸入輸出駐波比之間的矛盾，由計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)噪聲匹配及負(fù)反饋的深度， 改變放大器各指標(biāo)間的相互矛盾， 使整個(gè)放大器達(dá)到最佳工作狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)的放大器噪聲低、增益高、體積小、重量輕， 作為接收機(jī)的射頻前端， 已經(jīng)在無人機(jī)機(jī)載和地面設(shè)備中得到應(yīng)用。