(杭州電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

雷達(dá)是一種通過發(fā)射電磁波和接收回波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和測(cè)定目標(biāo)信息的設(shè)備[1]。由于雷達(dá)接收到的回波信號(hào)非常微弱并且極易受到其它信號(hào)的干擾，所以雷達(dá)接收機(jī)靈敏度是成功接收到微弱信號(hào)的關(guān)鍵。X波段低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)作為雷達(dá)接收機(jī)的第一級(jí)有源電路，它的增益、噪聲等指標(biāo)直接決定雷達(dá)接收機(jī)的性能。高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)是砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管(GaAsFET)的改進(jìn)型，對(duì)設(shè)計(jì)高頻率、低噪聲和高增益的低噪聲放大器有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文選用NEC 公司的高電子遷移率晶體管NE3210S01 設(shè)計(jì)了一款工作在9.5 GHz 10.5 GHz頻率下的低噪聲放大器。

1 X波段低噪聲放大器原理與設(shè)計(jì)

1.1 直流偏置電路設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，選擇好場(chǎng)效應(yīng)管以后，要想使放大器在某個(gè)頻段內(nèi)有良好的性能，首先必須確定晶體管的直流偏置點(diǎn)。由NEC 公司提供的datasheet 資料可知，在VDS=2 V，ID=10 mA的偏置條件下，晶體管工作在最佳狀態(tài)。

本文設(shè)計(jì)的偏置電路采用雙電源供電，電路如圖1所示。電阻R1和R2 起到分壓的作用，把-2 V分壓到-0.4 V，其阻值分別為400 Ω和1 600 Ω;電容C1和C3的電容值為1 000 pF，C2和C4的電容值為10 μF，這些電容起到去耦的作用。在設(shè)計(jì)直流偏置電路時(shí)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高頻濾波電路來(lái)阻止射頻信號(hào)流入直流通路中，本文是通過一個(gè)3λ/4 高阻線，再端接扇形微帶來(lái)形成一個(gè)低通濾波器，這樣能很好地濾除高頻信號(hào)。偏置電路仿真結(jié)果如圖2所示，從仿真結(jié)果看出，扇形微帶線和高阻線對(duì)高頻信號(hào)影響非常明顯，很好地防止了微波信號(hào)進(jìn)入直流電路，防止它對(duì)電路產(chǎn)生影響。

圖1 直流偏置原理圖

圖2 直流偏置仿真圖

1.2 低噪聲放大器穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

穩(wěn)定性是放大器設(shè)計(jì)中需要考慮的非常重要的因素，放大器必須工作在穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性取決于管子的S 參數(shù)、輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)等[2]。判定穩(wěn)定性的條件如下:

一開始對(duì)管子進(jìn)行穩(wěn)定性判定時(shí)，發(fā)現(xiàn)晶體管在8 GHz以下出現(xiàn)K ＜1 潛在不穩(wěn)定的情況，因此在設(shè)計(jì)匹配電路之前要對(duì)晶體管進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的方法有許多種，最簡(jiǎn)單的方法是在源級(jí)與地之間加一個(gè)合適的電感，可引起串聯(lián)負(fù)反饋[3]，使晶體管的穩(wěn)定性提高。由于在頻率較高的情況下，電感分立元器件在焊接的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的寄生效應(yīng)，而引起誤差，所以最后的電感由一段微帶線代替。圖3給出了加入負(fù)反饋后的最終匹配電路穩(wěn)定系數(shù)仿真圖，由圖3可以看出電路處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 最終穩(wěn)定性曲線圖

1.3 匹配電路設(shè)計(jì)和兩級(jí)電路仿真優(yōu)化

低噪聲放大器最明顯的指標(biāo)是噪聲和增益[4]。級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)如下:

式中，NFi為各級(jí)放大鏈路的噪聲系數(shù)，Gi為各級(jí)的增益。從式(2)可以得出第一級(jí)的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲有很大的影響，只有當(dāng)接收機(jī)前端的低噪聲放大器有著很小的噪聲系數(shù)和足夠大的增益時(shí)，才能使得整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)較小。

二端口網(wǎng)絡(luò)放大器噪聲系數(shù)如下:

式中，晶體管的源導(dǎo)納Ys=Gs+jBs，Yopt為得到最小噪聲系數(shù)的最佳源導(dǎo)納，NFmin表示當(dāng)Ys=Yopt時(shí)獲得的晶體管的最小噪聲系數(shù)，RN為晶體管的等效噪聲電阻，Gs為源導(dǎo)納的實(shí)部。

輸入匹配按最佳噪聲來(lái)匹配，級(jí)間匹配和輸出匹配按共軛匹配方式[5-6]。要求第一級(jí)有較低的噪聲，級(jí)間和后級(jí)要求有最大功率傳輸。首先利用ADS 設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ邅?lái)掃描管子的S 參數(shù)，得到晶體管的最小噪聲阻抗為(33.2-j21.3)Ohm，利用ADS 強(qiáng)大的匹配工具得到輸入匹配電路如圖4所示。設(shè)計(jì)好輸入匹配電路后，使用ADS中的輸出端口阻抗控件計(jì)算出第一級(jí)輸出阻抗，將此阻抗和第二級(jí)的輸入阻抗共軛匹配來(lái)設(shè)計(jì)兩級(jí)之間的匹配電路。同樣輸出匹配電路也用輸出端口阻抗控件計(jì)算輸出阻抗值來(lái)進(jìn)行匹配。

圖4 加入輸入匹配的單級(jí)電路原理圖

兩級(jí)電路原理圖由圖4單級(jí)電路衍生得到，兩級(jí)電路的輸入、輸出和級(jí)間都需要加隔直電容，由于隔直電容在X波段很難保持良好的特性，因此電路中使用λ/4 微帶耦合線來(lái)隔直流，在仿真中取耦合線寬為0.2 mm，耦合間隙為0.1 mm，其隔直效果非常好。經(jīng)過仿真優(yōu)化得到滿意指標(biāo)后，借助ADS 軟件將原理圖生成版圖，然后將生成的版圖做電磁仿真，得到不錯(cuò)的優(yōu)化結(jié)果后將版圖進(jìn)行PCB 設(shè)計(jì)。

2 PCB 設(shè)計(jì)與實(shí)物測(cè)試

將優(yōu)化后的版圖通過CAM350 軟件導(dǎo)入到Altium Designer 10.0 中進(jìn)行PCB 設(shè)計(jì)，在PCB 設(shè)計(jì)中將版圖仿真優(yōu)化后的過孔加到電路中，在匹配微帶的枝節(jié)末端加上可調(diào)的微帶，這樣可以在做出板子以后出現(xiàn)誤差可以方便調(diào)試，以獲得更好的性能。在PCB 周邊空的位置大面積敷銅有助于電路的良好接地。最后在PCB 電路板的4個(gè)角打上螺絲孔，方便做好的電路板能固定在屏蔽盒內(nèi)并且電路板的接地部分能很好的和屏蔽盒連接在一起，增加了電路的穩(wěn)定性。加工PCB所需的板材為羅杰斯RO4003，板材的介電常數(shù)為3.38，板厚為0.508 mm，正切損耗角為0.002 7，銅箔的厚度為0.017 mm。經(jīng)R ＆ S 公司矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(ZVM)和安捷倫N8975A 噪聲分析儀在常溫下進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果如圖5所示。從結(jié)果可以看出，仿真和實(shí)測(cè)基本吻合，但有一定誤差，原因可能是沒有接屏蔽腔體使得電磁波輻射的影響，還有就是軟件仿真和實(shí)際加工精度有一定誤差，并且管子的實(shí)際參數(shù)和仿真有些偏差，最后焊接也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖5 測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文借助ADS 軟件仿真設(shè)計(jì)了一款X波段低噪聲放大器，在輸入輸出和兩級(jí)之間采用耦合微帶線來(lái)隔直流;在直流偏置電路中采用3λ/4 高阻線和扇形開路線形成一個(gè)高頻濾波電路來(lái)阻止高頻信號(hào)對(duì)直流電路的影響;并用負(fù)反饋的方法來(lái)增加放大器的穩(wěn)定性。結(jié)合高電子遷移率晶體管的優(yōu)勢(shì)成功的設(shè)計(jì)了一款滿足雷達(dá)前段的X波段低噪聲放大器。其設(shè)計(jì)理論和方法可行，可為其它頻段的低噪聲放大器提供一些借鑒。

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