X波段宽带低噪声放大器设计

在通信系统中， 衡量通信质量的一个重要指标是信噪比， 而改善信噪比的关键就在于降低接收机的噪声系数。一个具有低噪声放大器的接收机系统， 其整机噪声系数将大大降低， 从而灵敏度大大提高。因此在接收机系统中低噪声放大器是很重要的部件。

　　1 电路仿真设计

　　该项目的微波低噪声放大器是利用微波低噪声场效应管在微波频段进行放大。特别需要注意的是， 因为场效应管都存在着内部反馈， 当反馈量达到一定强度时， 将会引起放大器稳定性变坏而导致自激， 改善微波管自身稳定性采取的是串接阻抗负反馈法， 在场效应管的源极和地之间串接一个阻抗电路， 构成负反馈电路。实际的微波放大器电路中反馈元件常用一段微带线代替， 相当于电感性元件负反馈， 这样对电路稳定性有所改善。

　　1. 1 确定电路形式

　　噪声系数是低噪声放大器的重要技术指标之一， 低的噪声系数与低的输入驻波在低噪声放大器的设计中是一对矛盾。该项目低噪声放大器在设计中摒弃了通常为实现低输入驻波采用输入加隔离器的方法， 采用负反馈放大电路。负反馈放大电路具有频带响应宽、输入输出驻波小和稳定性好等特点。

　　利用PHEMT 芯片， 应用混合集成工艺进行设计， 在宽频带范围内实现了低噪声系数和低驻波特性。

　　器件的选用恰当与否直接关系到性能指标的优劣， 宽带低噪声放大器最关键的器件就是放大器的基础——GaAs PHEMT 芯片。为满足高增益指标，GaAs PHEMT 应具有尽可能高的跨导; 同时， 为了满足低的噪声系数， GaAs PHEMT 自身的噪声系数应尽可能低; 由于型谱产品频段较高， 为了避免分布参数带来的影响， 同时减小体积， GaAs PHEMT 选择采用管芯。

　　该项目为了兼顾噪声和增益， 所以采用2 级放大。第1 级放大器的设计必需是最佳噪声设计， 即输入匹配网络必需是最佳噪声匹配网络， 不必追求最大增益; 第2 级放大器保证输出功率和总增益。

　　1. 2 第1 级放大器的仿真设计

　　经过选择该项目第1 级使用Fujits 的FHX13X,其噪声特性比较好， 使用2 个场效应管来进行并联放大设计。并联放大器的好处在于它的低噪声特性， 而且容易进行匹配。为了改善稳定性， 第1 级放大器的2 个源极和地之间各串联一个RLC 谐振电路， 并且加入负反馈， 在栅——漏之间加入RL 串联的反馈电路， 这样虽然会降低增益， 增加噪声， 但是会对电路的稳定性， 增益平坦度， 宽带的实现， 输入输出驻波比有很大改观。

　　利用软件进行仿真的结果如图1 所示。

　　图1 输入输出反射系数仿真结果

　　如图1 所示输入输出阻抗均完美的匹配好， 输入输出反射系数在7 ~ 8 GHz 的频带内均小于- 15 dB, 在匹配的中心点7. 5 GHz 其更是达到了- 35. 322和- 44. 042, 可以说匹配相当好。

　　如图2 所示， 噪声在7~ 8 GHz 的范围内低于1. 1 dB。增益在7. 5 GHz 的时候为13. 954, 与预估值13. 955 相差无几， 且增益平坦度小于1 dB。

　　这样就完成了第1 级设计， 输入输出阻抗完美匹配， 噪声小于1. 1 dB, 且有良好的增益为13. 954 dB。

　　图2 第一级噪声系数和增益仿真结果

1. 3 第2 级放大器的仿真设计

　　接下来进行功率输出级的设计， 功率输出级选用的是Transcom 公司的TC1201。偏置方式采用的是自给偏置的方式， 将其偏置在4 V 25 mA, 做好偏置后生成它的S2P 文件， 建模并仿真， 仿真过程同第1 级一样。接好负反馈和稳定性偏置， 并且对器件参数进行优化， 由于单靠源级的串联电路和栅——漏间的负反馈电路不足以使得电路在7~ 8 GHz 达到稳定， 所以在栅极加入了一个对地并联匹配电感，优化后的仿真结果如图3 所示。

　　图3 第2 级增益仿真结果

　　如图3 可知， 输入输出阻抗匹配良好， 且增益最高点为12. 449, 与预估的12. 463 相差无几。在7~8 GHz的频带内， 输入输出反射系数也均小于- 20 dB, 增益均大于11. 5 dB。这样就完成了第2级功率放大级的设计。

　　1. 4 两级级联的仿真设计

　　接下来将2 级级联在一起， 由于第1 级的输出端和第2 级的输入端均完美的匹配到50 , 所以级联也没有什么问题， 由图4 可以看出， 输入输出阻抗匹配方面， 在中心点7. 5 GHz 处， 均匹配良好， 驻波比在1. 086 左右。而在7~ 8 GHz 范围内， 驻波比也均小于2。

　　图4 输入输出反射系数和驻波比仿真结果

　　从图5 可以得到， 增益在中心频率达到26. 401 dB, 在7~ 8 GHz 范围内也均在25 dB 以上。

　　噪声系数在7. 5 GHz 为1. 007 dB, 应用频段内的噪声最大也不超过1. 1 dB。

　　图5 高级级联后的增益及噪声仿真结果

　　1. 5 仿真结果分析

　　通过仿真结果可以看出， 放大器的输入输出驻波比、噪声和增益等指标基本上都合格。从设计中可以了解使用ADS 来设计低噪声放大器的基本方法， 首先要做的就是偏置电路的设计， 然后用S 参数仿真来进行稳定性的判断， 若在使用频段内不稳定，还需要进行稳定性的设计。当场效应管工作稳定后就要对其进行阻抗匹配。一般低噪声放大器的第1级需要良好的噪声特性， 所以第1 级的输入端进行最佳噪声阻抗到50 源负载的匹配， 输出端进行共轭匹配。如果要考虑到第1 级的增益输出不能太低的话， 则需要画出增益圆图和噪声圆图， 然后选择合适的源阻抗值， 牺牲一部分噪声来提高增益。第2级一般为功率输出级， 需要的是最大的增益输出， 所以第2 级一般对输入输出同时向50 负载做共轭匹配， 在匹配之前， 需要算出最佳共轭匹配的ZS 和ZL 值， 这个值只有在电路稳定的情况下才唯一存在的。

　　2 级分别设计， 再级联， 由于计算机已经进行了参数优化， 通常不需调整就可达到比较满意的效果。

　　器件参数的离散性， 以及加工误差， 实际加工出来的结果有一些微小差异， 这就需要在实际调试中， 稍微调整一下分布参数， 就可达到最佳的效果。

　　2 结束语

　　该放大器利用ADS2008 优化设计和仿真， 在研制过程中， 通过优化噪声系数、增益和输入输出驻波比之间的矛盾， 由计算机调节噪声匹配及负反馈的深度， 改变放大器各指标间的相互矛盾， 使整个放大器达到最佳工作状态， 最终实现的放大器噪声低、增益高、体积小、重量轻， 作为接收机的射频前端， 已经在无人机机载和地面设备中得到应用。