王 瀟，申呈潔，錢國(guó)明

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210003)

氣象探空雷達(dá)中平衡式低噪聲放大器設(shè)計(jì)

王 瀟，申呈潔，錢國(guó)明

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210003)

為了提高L波段氣象探空雷達(dá)中射頻前端的穩(wěn)定性，采用ATF54143晶體管設(shè)計(jì)了一種平衡式結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器。通過(guò)使用ADS軟件對(duì)該低噪聲放大器進(jìn)行了優(yōu)化、仿真，并進(jìn)行了實(shí)物加工。實(shí)物測(cè)試表明，該低噪聲放大器帶內(nèi)增益大于15dB，噪聲系數(shù)小于1dB，穩(wěn)定性系數(shù)大于1。

探空雷達(dá)；平衡式放大技術(shù)；低噪聲放大器；定向耦合器

0 引 言

L波段探空雷達(dá)是我國(guó)目前氣象監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等行業(yè)重要的探測(cè)設(shè)備。在使用探空雷達(dá)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性是探空作業(yè)成功與否的第一要素[1]。L波段氣象探空雷達(dá)結(jié)構(gòu)主要包括天饋線系統(tǒng)、射頻接收系統(tǒng)、天控系統(tǒng)等。低噪聲放大器(LNA, Low Noise Amplifier)多用于雷達(dá)射頻接收系統(tǒng)的第一個(gè)有源模塊，其主要功能是在引入較少噪聲的情況下盡量放大輸入小信號(hào)，從而在低功率點(diǎn)上保證所需的信噪比。對(duì)于大信號(hào)，LNA應(yīng)做到在不失真的情況下放大輸入信號(hào)，從而消除信道串?dāng)_。因此，合適的LNA設(shè)計(jì)在雷達(dá)射頻接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位[2]。

常見(jiàn)的LNA有單端式和平衡式兩種。單端式LNA的輸入輸出回波損耗較差，匹配很困難，且溫度變化對(duì)放大器整體性能影響較大，時(shí)間用久了穩(wěn)定性會(huì)變差，但因?yàn)橹挥玫揭粋€(gè)晶體管，所以制成電路板的尺寸會(huì)相對(duì)較小，集成度較好。而平衡式LNA通過(guò)兩個(gè)90°耦合器消除了來(lái)自兩個(gè)相同放大器的輸入和輸出反射，從而使得阻抗匹配比單端式LNA簡(jiǎn)單許多，且平衡式LNA的可靠性也比單端式LNA要高，因?yàn)閮蓚€(gè)晶體管中若有一個(gè)損壞，另一個(gè)還可繼續(xù)發(fā)揮作用，只是增益略有下降[3]。

LNA設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮到諸多因素，如高增益、低噪聲系數(shù)、良好的輸入輸出匹配、穩(wěn)定度及線性要求。這些因素同等重要，且相互之間并不完全獨(dú)立。低噪聲系數(shù)與最佳輸入匹配在沒(méi)有反饋回路下不可同時(shí)獲得，絕對(duì)穩(wěn)定在很多情況下需犧牲部分增益作為補(bǔ)償，高IP3需要高電流，而最小噪聲系數(shù)通常需要電流較低。

本文針對(duì)L波段氣象探空雷達(dá)中射頻前端高穩(wěn)定性的需求，采用Avago公司芯片ATF54143晶體管進(jìn)行了平衡式低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)平衡式低噪聲放大器中3 dB耦合器、功率增益、穩(wěn)定性及噪聲系數(shù)進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)使用ADS軟件對(duì)平衡式低噪聲放大器外圍電路及阻抗匹配進(jìn)行了搭建并仿真優(yōu)化，完成了電路仿真設(shè)計(jì)以及制板和實(shí)物測(cè)試。

1 平衡式低噪聲放大器設(shè)計(jì)架構(gòu)

1.1 平衡式放大結(jié)構(gòu)

平衡式放大結(jié)構(gòu)由兩個(gè)3 dB定向耦合器與兩個(gè)晶體管放大器組成，如圖1所示，Q1和Q2為兩個(gè)性能一致的場(chǎng)效應(yīng)管。輸入端的耦合器稱為功率分配器，將輸入信號(hào)分成功率相等、相位相差90°的兩個(gè)信號(hào)，送給場(chǎng)效應(yīng)管Q1和Q2。輸出端的耦合器稱為功率合成器，將相差90°的兩個(gè)信號(hào)合成為同相信號(hào)輸出[4]。

圖1 平衡式放大器的結(jié)構(gòu)

1.2 3 dB 90°相移定向耦合器原理分析

一個(gè)平衡式放大器需要著重考慮的是射頻信號(hào)的功率分配與耦合，功率分配和功率耦合通過(guò)功分器和耦合器實(shí)現(xiàn)。功分器和耦合器都是無(wú)源器件，能夠以微帶線的形式實(shí)現(xiàn)或通過(guò)表面封裝體實(shí)現(xiàn)。

常見(jiàn)的耦合器有Wilkinson耦合器、分支線耦合器與Lange耦合器。但是，Wilkinson耦合器一個(gè)臂上需要有額外的90°微帶線，Lange耦合器的主要缺點(diǎn)是實(shí)用問(wèn)題，因?yàn)檫@些線很窄且又緊靠在一起，加工起來(lái)相當(dāng)困難。在射頻微波電路中，經(jīng)常用到多端口網(wǎng)絡(luò)，分支線定向耦合器是最常用的多端口網(wǎng)絡(luò)。它在電路中起到了十分重要的作用，能在固定的參考相位的條件下，分開(kāi)和組合射頻微波端口[5-6]。

3 dB定向耦合器(圖2)的作用是把一路信號(hào)分成兩路信號(hào)，且這兩路信號(hào)之間相位相差為90°。

圖2 3 dB 90°相移定向耦合器示意圖

其S參數(shù)表示為

(1)

定向耦合器性能的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、定向性、隔離度、輸入電壓駐波比[7]。

(1) 耦合度C

當(dāng)端口1接信號(hào)源且端口2、3、4均接匹配負(fù)載時(shí)，端口1的輸入功率P1與端口2的輸出功率P2之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的耦合度C，則

(2)

(2) 方向性系數(shù)D

端口2的輸出功率P2與端口3的輸出功率P3之比的分貝數(shù)為定向耦合器的方向性系數(shù)D，則

(3)

(3) 隔離度I

端口1的輸入功率P1與端口3的輸出功率P3之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的隔離度I，則

(4)

(4) 輸入電壓駐波比

當(dāng)定向耦合器直通端口4、反向耦合端口2、隔離端口3都匹配負(fù)載時(shí)，在輸入端口1處測(cè)量到的駐波系數(shù)為輸入電壓駐波比。

1.3 低噪聲放大器的性能分析

1.3.1 功率增益

放大器的轉(zhuǎn)換功率增益GT定義為負(fù)載吸收功率與信號(hào)源的資用功率(available power)之比：

(5)

(6)

1.3.2 穩(wěn)定性分析

放大器電路工作的首要條件是在工作頻段內(nèi)保持絕對(duì)穩(wěn)定，否則將會(huì)導(dǎo)致電路的振蕩，必須滿足

|ΓL|<1, |ΓS|<1

(7)

(8)

(9)

其中，△=S11S22-S12S21,最后得出絕對(duì)穩(wěn)定的條件為

|△|<1

(10)

(11)

1.2.3 噪聲系數(shù)分析

噪聲系數(shù)定義為輸入端口的信號(hào)與噪聲比跟輸出端口信號(hào)與噪聲比之比。若把放大器電路看作一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，則噪聲系數(shù)為

(12)

其中,Vn為二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲電壓源，In為噪聲電流源，Rin為二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，B為測(cè)量系統(tǒng)的噪聲帶寬。為了計(jì)算最佳源阻抗Zopt，通過(guò)一系列變換可得

(13)

1.4 設(shè)計(jì)指標(biāo)

平衡式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用配置確保了好的輸入輸出匹配，幫助提高穩(wěn)定性。功分耦合網(wǎng)絡(luò)必須低損耗、尺寸小，在使用帶寬上要有好的相位及幅度匹配。ATF54143在2GHz處的性能指標(biāo)指標(biāo)如表1所示，其中增益與噪聲系數(shù)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。

表1 ATF54143低噪聲放大器性能指標(biāo)

2 平衡式低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真

2.1 3 dB耦合器設(shè)計(jì)

采用國(guó)內(nèi)普遍使用的FR-4基板，并利用ADS自帶的LineCalu工具計(jì)算耦合器縫寬和線寬，設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

使用ADS進(jìn)行仿真與優(yōu)化后，3 dB耦合器仿真S參數(shù)如圖4所示。從仿真結(jié)果可以看出，此3 dB耦合器在頻點(diǎn)2 GHz處耦合度接近-3 dB，隔離度小于-30 dB，在頻段1.6～2.4 GHz內(nèi)耦合度在-3.8 dB左右，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖3 3 dB90°相移定向耦合器

2.2 直流仿真及偏置電路設(shè)計(jì)

直流偏置網(wǎng)絡(luò)為晶體管提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)可以減少環(huán)境波動(dòng)及電源電壓變化，以保證最小的諧波失真，確保信號(hào)的線性放大。參照ATF54143的數(shù)據(jù)手冊(cè)，選擇Vds=3 V及Ids=60 mA作為靜態(tài)工作點(diǎn)，通過(guò)直流掃描可得Vgs=0.60 V。偏置網(wǎng)絡(luò)采用分壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算公式如下：

(14)

(15)

(16)

其中，IR1R2為流過(guò)R1和R2的電流，Ids為晶體管的靜態(tài)偏置電流，Vdd為電源電壓，Vds為晶體管的漏極電壓，偏置設(shè)計(jì)電路仿真如圖5所示。

圖5 偏置電路設(shè)計(jì)仿真圖

2.3 輸入與輸出電路匹配

平衡式低噪聲放大器設(shè)計(jì)中最重要的部分為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，它對(duì)于提高穩(wěn)定性、降低噪聲系數(shù)及提高功率都起著十分重要的作用。輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗的設(shè)計(jì)著重點(diǎn)不同。對(duì)于輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)而言，設(shè)計(jì)主要是為了能夠獲得最大增益和增益平坦度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低輸入反射系數(shù)；輸出匹配電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要考慮增益、各階諧波一致、降低損耗及反射系數(shù)。匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)電路圖如圖6所示。

圖6 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)電路圖

3 平衡式低噪聲放大器實(shí)物測(cè)試結(jié)果

平衡式放大器由上下兩路完全一樣的放大電路組成。為保證整個(gè)電路設(shè)計(jì)指標(biāo)能夠滿足，要使得上下兩路的偏置電路、輸入匹配電路及輸出匹配電路完全一樣，且3 dB定向耦合器也必須完全對(duì)稱。在使用ADS仿真后，可知系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定，噪聲系數(shù)在帶寬內(nèi)小于1，均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，如圖7所示。

經(jīng)過(guò)實(shí)物加工，平衡式低噪聲放大器實(shí)物電路如圖8所示。

圖7 穩(wěn)定性系數(shù)與噪聲系數(shù)

圖8 LNA實(shí)物電路圖

實(shí)物加工完后，通過(guò)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)量該平衡式低噪聲放大器的S參數(shù)。將電源電壓調(diào)至5 V，并對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，輸入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的補(bǔ)償值，測(cè)試結(jié)果如圖9和圖10所示。

由仿真結(jié)果及以上測(cè)試曲線圖可知，所設(shè)計(jì)的平衡式低噪聲放大器的噪聲系數(shù)、增益、穩(wěn)定性都達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖9 S11與S12測(cè)試曲線圖

圖10 S21與S22測(cè)試曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)L波段氣象探空雷達(dá)中射頻前端高穩(wěn)定性的需求，本文采用Avago公司的ATF54143晶體管設(shè)計(jì)了一種平衡結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器。此平衡式低噪聲放大器由兩個(gè)耦合器與兩個(gè)相同的晶體管放大器組成，兩個(gè)耦合器消除了來(lái)自兩個(gè)相同放大器的輸入和輸出反射，從而使得阻抗匹配比單端式LNA簡(jiǎn)單許多。同時(shí)，平衡式LNA的兩個(gè)晶體管中若有一個(gè)損壞，另一個(gè)還可繼續(xù)工作，只是增益略有下降，從而使得整個(gè)雷達(dá)射頻前端系統(tǒng)的可靠性提高。通過(guò)實(shí)物測(cè)試表明，此平衡式低噪聲放大器帶內(nèi)增益大于15 dB，噪聲系數(shù)小于1 dB，穩(wěn)定性系數(shù)大于1，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足了L波段氣象探空雷達(dá)中射頻前端的性能要求，并對(duì)以后進(jìn)行穩(wěn)定性需求高的射頻前端接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)有重要的參考意義。

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Design of a balanced low noise amplifier in meteorological sounding radars

WANG Xiao, SHEN Cheng-jie, QIAN Guo-ming

(College of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003)

A balanced low noise amplifier (LNA) is designed with the adoption of the ATF54143 transistor to improve the stability of the RF front end in L-band meteorological sounding radars. The LNA is optimized and simulated through the ADS software, and then processed. The LNA test indicates that the in-band gain is more than 15dB, the NF is less than 1dB, and the stability factor is more than 1.

sounding radar; balanced amplification technique; low noise amplifier; directional coupler

2014-04-05；

2014-05-09

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2011B090400296)

王瀟(1987-)，男，碩士研究生，研究方向：射頻與微波電路設(shè)計(jì)；申呈潔(1988-), 碩士，研究方向：射頻與微波電路設(shè)計(jì)；錢國(guó)明(1964-)，男，教授，研究方向：無(wú)線通信技術(shù)與信號(hào)處理。

TN722.3

A

1009-0401(2014)02-0048-05