李凱

（電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，四川成都610054）

微波低噪聲放大器作為現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)中重要組成器件，對(duì)整個(gè)通信接收系統(tǒng)的接收靈敏度和噪聲性能起著決定性作用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和寬帶無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，低噪聲放大器向著更低噪聲系數(shù)、更寬工作帶寬和更高輸出功率方向發(fā)展，并逐漸成為設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。因此，研究設(shè)計(jì)出高性能的低噪聲放大器具有十分重要的意義。由于高電子遷移率晶體管具有高頻率、低噪聲、大功率等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以用pHEMT制作的多級(jí)低噪聲放大器已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星接收系統(tǒng)、電子系統(tǒng)及雷達(dá)系統(tǒng)。

1 晶體管器件的選擇和級(jí)數(shù)的確定

低噪聲放大器的性能取決于有源器件的噪聲特性和匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，有源器件在根本上決定了LNA對(duì)微弱信號(hào)的分辨率能力和微波低噪聲放大器的動(dòng)態(tài)范圍。根據(jù)有關(guān)資料對(duì)3種主要器件的介紹和比較[1]，數(shù)相對(duì)較低，頻率較高的HEMT器件來進(jìn)行低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。進(jìn)過對(duì)比各大公司的晶體管設(shè)計(jì)手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)Avago公司的ATF-58143是一種低噪聲砷化鎵PHEMT器件在本設(shè)計(jì)中選擇噪聲系高電子遷移率晶體管。

另外考慮放大器的增益指標(biāo)，由于一般的單管增益為9～12 dB，而本設(shè)計(jì)要求增益達(dá)到20 dB，所以電路要采用兩級(jí)放大器來實(shí)現(xiàn)[2-3]。

2 直流偏置電路的設(shè)計(jì)

偏置網(wǎng)絡(luò)的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，并抑制晶體管參數(shù)的離散型以及溫度變化的影響，從而保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)[4]。偏置網(wǎng)絡(luò)電路圖[5-6]如圖1所示。偏置網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果圖如圖2所示。由圖2可知，放大器在工作頻段內(nèi)處于絕對(duì)穩(wěn)定。

3 匹配電路設(shè)計(jì)

根據(jù)噪聲理論，放大器的噪聲系數(shù)主要由第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)決定，設(shè)計(jì)第一級(jí)放大器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)通常采用最小噪聲系數(shù)原則。在設(shè)計(jì)在級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要使前級(jí)輸入阻抗與后級(jí)輸出阻抗匹配，同時(shí)后級(jí)晶體管獲得較大的增益和較低的噪聲系數(shù)。輸入匹配、級(jí)間匹配和輸出匹配電路圖[6-7]分別如圖3、圖4和圖5所示。

綜合考慮為了獲得較好匹配，通常采用多節(jié)微帶線匹配。輸出匹配電路設(shè)計(jì)主要考慮增益和駐波比，把微波管復(fù)數(shù)輸出阻抗匹配到負(fù)載實(shí)數(shù)阻抗。優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)此理論，可以實(shí)現(xiàn)很小的噪聲系數(shù)同時(shí)兼顧增益。

圖1 ATF-58143偏置電路圖Fig.1 Networks passive Biasing of ATF-58143

圖2 ATF-58143偏置網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定系數(shù)Fig.2 Bias circuit stability factor of ATF58143

圖3 最低噪聲的輸入匹配電路Fig.3 Input matching circuit of minimum noise

圖4 級(jí)間匹配電路Fig.4 Interstage matching circuit

圖5 最大增益的輸出匹配電路圖Fig.5 Output matching circuit of maximum gain

4 負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)

為了適當(dāng)改善放大器增益平坦度，在晶體管柵源之間采用負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，一般負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)為柵源之間的電感、電阻、電容串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[5-7]。具體電路圖如圖6所示。

圖6 負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)電路圖Fig.6 Scheme circuit of the negative feedbac

5 仿真結(jié)果

整體電路由ADS2009仿真，整體電路[6-7]優(yōu)化后的增益如圖7所示。電路LAN的增益達(dá)到20 dB。噪聲系數(shù)如圖8所示，在1.8～2.8 GHz頻段噪聲系數(shù)小于1.5 dB。輸入輸出駐波比如圖9所示，輸出駐波比為1.8，很好地滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖8 整體LNA優(yōu)化后的噪音系數(shù)Fig.8 NF of the whole LNA after optimization

6 結(jié)束語

通過ADS軟件對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，該電路在1.8～2.8 GHz頻段內(nèi)，可達(dá)到20 dB以上增益；噪聲系數(shù)小于1.5 dB。該電路滿足接收前端對(duì)LNA提出的要求，具有廣闊應(yīng)用前景。另外由于ADS這個(gè)功能強(qiáng)大的射頻仿真工具和muRata元件庫，縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了研發(fā)成本，在此對(duì)Agilent公司和muRata公司表示感謝。

圖9 整體LNA優(yōu)化后的輸入輸出電壓比Fig.9 Input and output VSWR of the whole LNA after optimization

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