楊光熹
?。窈轿髂峡展芫挚展苓^程建設(shè)指揮部，四川 成都 610202）
摘要：研究低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用射頻理論，結(jié)合當(dāng)前民航機(jī)載C波段雷達(dá)接收前端的要求，設(shè)計(jì)了一款高增益、低噪聲、性能穩(wěn)定的放大器，能滿足C波段機(jī)載接收前端的要求。
關(guān)鍵詞：低噪聲放大器；鏈路仿真；C波段雷達(dá)
中圖分類號：TN722文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.011
引用格式：楊光熹. 機(jī)載C波段高性能低噪聲放大器的研究設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（20）：41 44.
0引言
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載通信質(zhì)量要求不斷提高，高增益、高靈敏度、大動態(tài)范圍的接收前端起著至關(guān)重要的作用［1］。而低噪聲放大器（LNA）位于雷達(dá)接收機(jī)的最前端，天線接收信號后，通過低噪聲放大器，將微弱的射頻信號放大，同時(shí)降低噪聲干擾。目前不管是研究民航地空通信干擾抑制系統(tǒng)、空管雷達(dá)設(shè)計(jì)，還是民航電臺設(shè)計(jì)，都需要具有噪聲系數(shù)小、對信號的信噪比惡化盡可能小、增益高的低噪聲放大器。研究增益高、噪聲低、性能穩(wěn)定的低噪聲放大器對改善機(jī)載接收機(jī)靈敏度和提高機(jī)載通信質(zhì)量有著十分重要的意義［2］，同時(shí)對提供各種通信導(dǎo)航和雷達(dá)監(jiān)管保障的技術(shù)人員來說，熟悉此類射頻電子設(shè)備的制作也是一項(xiàng)基本的技能。
1低噪聲放大器設(shè)計(jì)基本理論
低噪聲放大器在民航機(jī)載雷達(dá)接收前端起著至關(guān)重要的作用，它的仿真與設(shè)計(jì)是基于微波網(wǎng)絡(luò)理論和阻抗匹配理論，下面對其分別進(jìn)行分析。
1.1微波網(wǎng)絡(luò)等效電路分析
一個(gè)有源器件可以抽象為多端口器件，而本文中的晶體管可以看作二端口網(wǎng)絡(luò)，用其S參數(shù)和反射系數(shù)來描述此網(wǎng)絡(luò)的基本特征［3］。
圖1為抽象出來的兩端口網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)S參數(shù)的定義，可以用歸一化入射波來表征歸一化反射波：
此二端口的輸入反射系數(shù)Γin和輸出反射系數(shù)Γout為：
上式中Γs、ΓL分別為源和負(fù)載的反射系數(shù)，當(dāng)匹配時(shí)式(2)后面一項(xiàng)為0。上述網(wǎng)絡(luò)入射功率為：
負(fù)載吸收功率為：
1.2阻抗匹配在射頻放大器中的形式
由于電路工作在C波段，屬于微波頻率的范圍，傳統(tǒng)電路理論中的電壓和電流形式已經(jīng)被電場和磁場形式所替代，在進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮阻抗是否匹配［4］。
對于低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，匹配電路能起到減小噪聲系數(shù)、增大輸出功率的作用，同時(shí)也能起到提高晶體管穩(wěn)定性的作用。在實(shí)際的電路匹配設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常采用集總分布混合的匹配形式來實(shí)現(xiàn)。比較常用的集總匹配形式有T型和Pi型匹配，而分布匹配一般采用微帶線，有開路枝節(jié)、短路枝節(jié)等［5］。
2本文設(shè)計(jì)指標(biāo)與方案
2.1設(shè)計(jì)指標(biāo)
按照民航空管的規(guī)范要求，從射頻理論出發(fā)，采用仿真軟件驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一款適用于機(jī)載工作條件的低噪聲放大器，主要技術(shù)指標(biāo)如下：
（1）頻率范圍：5 300 MHz~5 600 MHz；
?。?）噪聲系數(shù)：NF≤1.3 dB；
?。?）增益：Gp≥30 dB；
?。?）增益平坦度：GΔ≤1 dB；
（5）回波損耗：Lr≤-15 dB。
2.2晶體管選型
體管選型主要考慮以下幾點(diǎn)：
?。?）工作頻段；
?。?）噪聲系數(shù)；
?。?）增益要求。
由于本設(shè)計(jì)工作于C波段，要求的增益比較高，噪聲系數(shù)比較低，決定選用Avago的ATF36077高電子遷移率晶體管。該晶體管為砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體器件，具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合機(jī)載工作環(huán)境［6］。它能工作于2~18 GHz的超寬頻率范圍，并且具有超低的噪聲系數(shù)，在C波段增益能達(dá)到16 dB以上。
2.3電路結(jié)構(gòu)
前面提出的指標(biāo)對端口回波要求比較高，特別是輸入回波，但低噪聲放大器在做輸入匹配的時(shí)候，輸入回波跟噪聲系數(shù)不能同時(shí)兼顧。為了保證良好的輸入回波，本設(shè)計(jì)采用平衡式結(jié)構(gòu)，在改善回波損耗的同時(shí)可以保證電路的穩(wěn)定性，即其中一路出現(xiàn)了問題，電路仍然可以工作，這符合機(jī)載通信的高穩(wěn)定性要求［7］。
增益要求30 dB以上，單管難以滿足要求，在此采用二級串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，通過電容耦合，在實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí)還可以減小后續(xù)電路對噪聲系數(shù)的惡化因子。
2.4指標(biāo)預(yù)算
鏈路增益等于各級增益的和，可由式(5)計(jì)算得到：
其中，鏈路的噪聲系統(tǒng)可以通過公式(6)來計(jì)算：
通過鏈路仿真軟件Syscal進(jìn)行增益、噪聲系數(shù)等指標(biāo)的評估，從鏈路預(yù)算的評估結(jié)果可知，鏈路噪聲系數(shù)為0.81 dB，鏈路增益為31 dB，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，所以方案是可行的。
2.5鏈路框圖
圖2是整個(gè)系統(tǒng)的鏈路框圖，其中包含兩個(gè)混合電橋以及兩級放大器。
3C波段射頻放大器仿真設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)是基于Rogers4350B 30mil厚度的高頻板材，介電常數(shù)Er為3.66,損耗角正切為0.04，損耗較低，性能穩(wěn)定，適合用于C波段的電路設(shè)計(jì)。
3.1穩(wěn)定性分析
電路級仿真采用安捷倫公司的ADS仿真軟件，對Avago公司的晶體管ATF36077進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行穩(wěn)定性的仿真，通過源極負(fù)反饋的形式增強(qiáng)穩(wěn)定性，在此處采用微帶的形式，一來可以增強(qiáng)穩(wěn)定性，二來不會對噪聲系數(shù)有所惡化。圖3是單管的穩(wěn)定性仿真原理圖。圖4是仿真所得的穩(wěn)定性曲線，由圖4可知在5~6 GHz頻率范圍內(nèi)晶體管處在穩(wěn)定的狀態(tài)。
3.2單級放大器仿真
接著將理想的微帶線轉(zhuǎn)換成為實(shí)際的微帶線進(jìn)行單級晶體管放大器的仿真。
圖5~7為優(yōu)化后的單級放大器性能。從圖5可以知道，單級放大器的增益最高達(dá)到16 dB，反向隔離最高為-20 dB；圖6是輸入與輸出端口的回波損耗，可以看出，端口阻抗匹配得比較好；圖7 給出了電路的穩(wěn)定因子和噪聲系數(shù)，其中噪聲系數(shù)為0.4 dB左右。在此主要對噪聲系數(shù)進(jìn)行匹配，回波的問題可以通過后續(xù)的平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，所以單級放大器性能滿足設(shè)計(jì)要求。
3.3兩級級聯(lián)仿真
由于單級放大器的增益為16 dB，要滿足30 dB的指標(biāo)要求，需要兩級級聯(lián)，通過電容耦合的形式進(jìn)行級聯(lián)設(shè)計(jì)，圖8是兩級級聯(lián)仿真原理圖。
兩級級聯(lián)后需要對電路進(jìn)行微調(diào)，由于第一級增益為16 dB，級聯(lián)后第二級對整體噪聲系數(shù)影響有所減弱，所以級聯(lián)重點(diǎn)關(guān)注增益和平坦度指標(biāo)，兼顧噪聲，圖9~10是兩級級聯(lián)仿真結(jié)果。
圖9給出了輸入輸出端口的回波損耗以及增益和隔離度曲線，由圖可知，在中心頻率處輸入輸出回波損耗均低于-15 dB，具有很好的匹配；級聯(lián)增益大于32 dB，增益平坦度為0.8 dB。圖10是穩(wěn)定因子和噪聲系數(shù)曲線，級聯(lián)后，放大器依然穩(wěn)定，且?guī)?nèi)最大噪聲系數(shù)為0.52 dB，各指標(biāo)依然滿足要求。
3.4平衡電路仿真
根據(jù)2.3節(jié)的分析，本設(shè)計(jì)采用平衡式架構(gòu)。將兩級級聯(lián)的放大器封裝成一個(gè)小模塊，命名為C_LNA，用該模塊構(gòu)建平衡電路框圖，如圖11所示。
圖11平衡電路中輸入輸出分別為3 dB正交電橋，可以在改善端口回波的同時(shí)保證機(jī)載接收電路的可靠性。在實(shí)際的電路走線時(shí)要注意上下兩路的一致性，一個(gè)是增益的一致性，一個(gè)是相位的一致性，如果上下一致性不好，都會影響功率的合成。在輸出端可以預(yù)留相位微調(diào)的微帶線，如果由于功放管或者電橋的差異導(dǎo)致上下兩路相位的差異，則可以通過微調(diào)微帶的長度來進(jìn)行相位的補(bǔ)償，最終達(dá)到比較好的合路效果。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證寬帶性能，在頻率1 GHz~6 GHz內(nèi)進(jìn)行寬帶仿真。
從圖12~13可知，在工作帶內(nèi)輸入輸出端口回波損耗都在-25 dB以下，增益大于30.5 dB，帶內(nèi)波動0.33 dB，輸出端的噪聲系數(shù)小于1 dB,從圖13可以看出電路在1 GHz~6 GHz寬帶范圍內(nèi)都趨于穩(wěn)定。綜上所述，所設(shè)計(jì)的機(jī)載C波段高性能低噪聲放大器性能優(yōu)越，滿足所有的指標(biāo)要求，部分指標(biāo)還具有較大的余量。
4結(jié)論
低噪聲放大器處于接收機(jī)最前端，其指標(biāo)的好壞直接決定了接收機(jī)性能的優(yōu)劣。在設(shè)計(jì)的過程中主要還是對噪聲系數(shù)、回波損耗和增益進(jìn)行折中，在滿足輸入回波和增益的前提下，優(yōu)化噪聲系數(shù)。安捷倫公司的EDA軟件ADS是2.5維全波仿真軟件，提供豐富和精確的仿真模型，通過合理運(yùn)用軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以加快產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，節(jié)約開發(fā)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率。本文根據(jù)C波段機(jī)載接收前端的要求，合理選擇設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品，運(yùn)用安捷倫ADS仿真軟件仿真設(shè)計(jì)了一款高性能的低噪聲放大器。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 吳仁彪，宮利蘋，胡鐵喬．民航地空通信干擾抑制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27（2）：1-5.
［2］ 羅旭東．民航電臺接收機(jī)射頻前端研制［D］.成都：電子科技大學(xué)，2008.
［3］ LUDWIG R， BOGDANOV G.射頻電路設(shè)計(jì) 理論與應(yīng)用［M］.王子宇，王心悅，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.
?。?］ 廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994.
［5］ 楊國敏，肖高標(biāo).射頻低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.電子測量技術(shù)，2006,29(1):1-2.
?。?］ Guo Qing,Lv Shengang.C band solid state T/R module design for SAR application［C］. Asia Pacifi Coference on Synthetic Aperture Radar,Xi’an,China, 2009:345-347.
?。?］ 范寧松，夏達(dá)，何慧.S波段空管雷達(dá)2.2 kW固態(tài)功放組件的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá),2013, 35(6):65-68.