東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 王雪晴 曹振新 孟 橋 苗 澎

應(yīng)用于太陽黑子觀測的低噪聲放大器設(shè)計(jì)

東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 王雪晴 曹振新 孟 橋 苗 澎

應(yīng)用于太陽黑子觀測的深空接收機(jī)頻率在短波和超短波段，該波段干擾和噪聲非常密集。低噪聲放大器是深空接收機(jī)系統(tǒng)中最重要的模塊之一。本文討論了深空探測接收機(jī)的噪聲來源，并主要從前端降噪的角度出發(fā)，研究了低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，此外為后端降 噪給出了方案。本文所設(shè)計(jì)的低噪放工作頻率為10MHz～100MHz。測試結(jié)果表明，低噪放增益為50dB，噪聲系數(shù)小于2.70dB，最小噪聲系數(shù)為2.1dB，能夠滿足深空探測系統(tǒng)的需求。

射電天文；降噪；低噪聲放大器

1.引言

太陽黑子的觀測系統(tǒng)具有接收系統(tǒng)共同的特征，由天線、接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理部分組成。天線是采用對稱加載偶極子方式設(shè)計(jì)的，駐波(VSWR)在15MHz～100MHz頻率范圍內(nèi)小于3。

太陽黑子的觀測屬于低頻甚低頻段（10MHz～100MHz），該頻段內(nèi)的無線電波是短波和超短波。短波頻率范圍通常在1.6MHz～30MHz之間，世界上許多國家利用短波頻率來進(jìn)行世界范圍的廣播傳輸?？梢?，在10MHz～100MHz的頻率范圍內(nèi)，噪聲、干擾非常多。在觀測太陽黑子等深空目標(biāo)時(shí)，應(yīng)盡力避開或減小這些干擾和噪聲。而對于一些接收機(jī)不能避免的噪聲，應(yīng)在后級通過軟件處理來消除。

目前國內(nèi)對低噪放的研究已有不少，但是覆蓋10MHz～100MHz范圍的不多。10MHz～100MHz是短波和超短波段，干擾密集，隨機(jī)性大。該系統(tǒng)的相對帶寬達(dá)到1.6，遠(yuǎn)大于美國聯(lián)邦通信委員會提出的“超寬帶”相對帶寬0.2的標(biāo)準(zhǔn)。超寬帶會帶來輸入噪聲迅速增加、限制高靈敏度的問題；同時(shí)，超寬帶會有較強(qiáng)的窄帶干擾(NBI)，強(qiáng)窄帶干擾會淹沒信號，限制動態(tài)范圍。因此，有必要對短波、超短波段的低噪放進(jìn)行研究。

本文就接收系統(tǒng)的前級和后級降噪進(jìn)行了一些研究。

2.前端降噪——低噪聲放大器設(shè)計(jì)

接收機(jī)的前端是一個(gè)低噪聲放大器。根據(jù)系統(tǒng)級聯(lián)的噪聲公式，前級的噪聲系數(shù)對整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲有著決定性作用。整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)基本上取決于第一級的噪聲系數(shù)。因此往往選用最佳噪聲匹配的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

頻率范圍：10MHz～100MHz

增益：50dB

噪聲系數(shù)：NF<2.5dB

回波損耗：S11<-10dB

2.2 方案設(shè)計(jì)

2.2.1 芯片選型

本設(shè)計(jì)采用三級放大的方式，為滿足NF≤1.5dB的要求，第一級的噪聲系數(shù)特別重要。第一級放大器選用mini公司的PMA5453+或者ANALOG公司的ADI5531。兩個(gè)芯片各有優(yōu)點(diǎn)：PMA5453+的噪聲系數(shù)明顯比ADL5531低，但是其工作頻率范圍是從50MHz開始。ADL5531畢竟是從20MHz開始，基本能覆蓋本文低噪放的頻率范圍。因此，決定兩個(gè)芯片都選用，可以對做出的低噪放板進(jìn)行比較。

第二、三級芯片選用Hittite公司的HMC478SC70(E)，它的工作頻率能夠覆蓋接收機(jī)的范圍，有20dB的固定增益。

2.2.2 芯片外圍電路

三級放大的偏置網(wǎng)絡(luò)采用單級供電，結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整。每級均采用輸出端饋電的方式提供芯片工作電壓。去耦電容用10nF的電容。高增益放大器比較容易自激，在這里板子的尺寸要小于最高頻率的半波長(1.5m)，能夠滿足要求。

2.2.3 基于ADS2009的仿真

利用數(shù)據(jù)手冊給出的參考電路，在ADS2009平臺下搭建整個(gè)低噪放模塊，對三級放大器的S參數(shù)和供電偏置電路進(jìn)行分析、仿真、優(yōu)化。ADS仿真結(jié)果表明，20MHz以后增益平坦度良好。15MHz以后回波損耗較小。

2.3 原理圖繪制與制板

由于涉及增益、噪聲、回波損耗等指標(biāo)，直接計(jì)算比較復(fù)雜。使用ADS進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化， 最終得到電路圖如圖1所示。

2.4 實(shí)際測試及分析

2.4.1 測試儀器

Agilent E5071B網(wǎng)絡(luò)分析儀

Agilent N8975A噪聲系數(shù)測試儀

2.4.2 空間頻譜

了解測試環(huán)境中的頻譜分布很有必要。將頻譜儀的輸入接一根電纜，電纜的另一頭接一段電線（長1.5m左右）作為天線，接收空中的無線電信號。所測得的頻譜圖如圖2所示。

掃頻范圍設(shè)為5MHz～110MHz，圖中顯示的峰值出現(xiàn)在101MHz，功率為-52dBm。在90MHz～100MHz區(qū)間里面，頻率干擾較多。這里的干擾多為廣播信號。為避開這些干擾，考慮將低噪放板放入屏蔽盒內(nèi)。

2.4.3 實(shí)物 圖

低噪放板的實(shí)物圖如圖3所示。

2.4.4 S參數(shù)的測量

這里為防止儀器飽和損傷，在輸出端加上了20dB衰減器，故真實(shí)增益值應(yīng)為測試值加上20dB。由圖4、圖5可以看出：

兩塊板增益值均在39dB～55dB，能達(dá)到指標(biāo)要求；低頻時(shí)時(shí)的S11較大，其中以PMA5453+為第一級的低噪放板在13MHz時(shí)S11≈-3dB，而以ADL5531為第一級的低噪放板S11單調(diào)遞減，最大值出現(xiàn)在10MHz處，為-4.29dB，大概在27MHz時(shí)減小到-10dB以下。這在工程當(dāng)中是比較實(shí)用的。

以PMA5453+ 為第一級的低噪放S參數(shù)測試結(jié)果如圖4所示。

以ADL5531 為第一級的低噪放S參數(shù)測試結(jié)果如圖5所示。

圖1 低噪放模塊版圖

圖2 空間頻譜

圖3 低噪放實(shí)物圖

圖4 實(shí)測S參數(shù)(PMA5453+)

圖5 實(shí)測S參數(shù)(ADL5531)

圖6 實(shí)測噪聲系數(shù)（PMA5453+）

圖7 實(shí)測噪聲系數(shù)（ADL5531）

2.4.5 噪聲系數(shù)的測量

噪聲系數(shù)分析儀與網(wǎng)絡(luò)分析儀增益的定義不同。噪聲系數(shù)分析儀中增益定義為信噪比增益，而網(wǎng)絡(luò)分析儀中增益定義為電信號的增益。因此兩者計(jì)算出的增益值有一定的出入。其中圖7是在輸出端接入20dB衰減之后測的，因此真實(shí)增益值應(yīng)加20dB。

由圖6、圖7可以看出：

⑴圖6的測試環(huán)境中有干擾，未裝盒的低噪放板不能克服這些干擾；

⑵以PMA5453+為第一級的低噪放板在頻率較低時(shí)噪聲系數(shù)較大，而以ADL5531為第一級的低噪放板噪聲系數(shù)曲線在工作頻段內(nèi)比較平坦，數(shù)值也小，優(yōu)于PMA5453+板。

以PMA5453+為 第一級的低噪放噪聲系數(shù)測試結(jié)果，如圖6。

以ADL5 531為第一級的低噪放噪聲系數(shù)測試結(jié)果，如圖7。

3.后端降噪

雖然人們已經(jīng)知道太陽黑子爆發(fā)平均活動周期為11年，但是黑子的爆發(fā)時(shí)刻預(yù)報(bào)很難做到很準(zhǔn)。我們考慮對空間頻譜進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄的方法，在射電波段觀測黑子。首先掌握正常情況下的空間頻譜，這包括10MHz～100MHz的各類廣播電臺。只有對這些電臺的分布、強(qiáng)度變化規(guī)律了解之后，才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，再針對有異常情況的頻譜來進(jìn)行分析。

后端降噪的工作尚未開展，擬采用以下方法進(jìn)行：

⑴根據(jù)已經(jīng)掌握的短波、超短波電臺的情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測所接收信號的頻譜；設(shè)計(jì)專用濾波器，剔除相應(yīng)頻點(diǎn)；

⑵利用噪聲信號均值為0的特性，在時(shí)域上求平均、各通道值求平均；

⑶進(jìn)行相關(guān)處理。

4.工作總結(jié)

本文就低頻甚低頻深空探測接收機(jī)的降噪問題進(jìn)行了探討。已經(jīng)完成了低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了后端降噪的方案。低噪聲放大器在20MHz～100MHz的帶寬內(nèi)能夠達(dá)到增益50dB以上，增益平坦度良好。噪聲系數(shù)在20MHz～90MHz之間為2.1dB，能夠滿足接收機(jī)的觀測需求，為深空探測接收機(jī)的進(jìn)一步研究做好了準(zhǔn)備。

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