楊光熹

(民航西南空管局空管過(guò)程建設(shè)指揮部，四川 成都 610202)

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機(jī)載C波段高性能低噪聲放大器的研究設(shè)計(jì)

楊光熹

(民航西南空管局空管過(guò)程建設(shè)指揮部，四川 成都 610202)

研究低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用射頻理論，結(jié)合當(dāng)前民航機(jī)載C波段雷達(dá)接收前端的要求，設(shè)計(jì)了一款高增益、低噪聲、性能穩(wěn)定的放大器，能滿足C波段機(jī)載接收前端的要求。

低噪聲放大器；鏈路仿真；C波段雷達(dá)

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載通信質(zhì)量要求不斷提高，高增益、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍的接收前端起著至關(guān)重要的作用[1]。而低噪聲放大器(LNA)位于雷達(dá)接收機(jī)的最前端，天線接收信號(hào)后，通過(guò)低噪聲放大器，將微弱的射頻信號(hào)放大，同時(shí)降低噪聲干擾。目前不管是研究民航地空通信干擾抑制系統(tǒng)、空管雷達(dá)設(shè)計(jì)，還是民航電臺(tái)設(shè)計(jì)，都需要具有噪聲系數(shù)小、對(duì)信號(hào)的信噪比惡化盡可能小、增益高的低噪聲放大器。研究增益高、噪聲低、性能穩(wěn)定的低噪聲放大器對(duì)改善機(jī)載接收機(jī)靈敏度和提高機(jī)載通信質(zhì)量有著十分重要的意義[2]，同時(shí)對(duì)提供各種通信導(dǎo)航和雷達(dá)監(jiān)管保障的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，熟悉此類射頻電子設(shè)備的制作也是一項(xiàng)基本的技能。

1 低噪聲放大器設(shè)計(jì)基本理論

低噪聲放大器在民航機(jī)載雷達(dá)接收前端起著至關(guān)重要的作用，它的仿真與設(shè)計(jì)是基于微波網(wǎng)絡(luò)理論和阻抗匹配理論，下面對(duì)其分別進(jìn)行分析。

1.1 微波網(wǎng)絡(luò)等效電路分析

一個(gè)有源器件可以抽象為多端口器件，而本文中的晶體管可以看作二端口網(wǎng)絡(luò)，用其S參數(shù)和反射系數(shù)來(lái)描述此網(wǎng)絡(luò)的基本特征[3]。

圖1為抽象出來(lái)的兩端口網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)S參數(shù)的定義，可以用歸一化入射波來(lái)表征歸一化反射波：

圖1 晶體管二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

(1)

此二端口的輸入反射系數(shù)Γin和輸出反射系數(shù)Γout為：

(2)

上式中Γs、ΓL分別為源和負(fù)載的反射系數(shù)，當(dāng)匹配時(shí)式(2)后面一項(xiàng)為0。上述網(wǎng)絡(luò)入射功率為：

Pin=|b1|2-|a1|2

(3)

負(fù)載吸收功率為：

Pab=|b2|2-|a2|2

(4)

1.2 阻抗匹配在射頻放大器中的形式

由于電路工作在C波段，屬于微波頻率的范圍，傳統(tǒng)電路理論中的電壓和電流形式已經(jīng)被電場(chǎng)和磁場(chǎng)形式所替代，在進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮阻抗是否匹配[4]。

對(duì)于低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，匹配電路能起到減小噪聲系數(shù)、增大輸出功率的作用，同時(shí)也能起到提高晶體管穩(wěn)定性的作用。在實(shí)際的電路匹配設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常采用集總分布混合的匹配形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。比較常用的集總匹配形式有T型和Pi型匹配，而分布匹配一般采用微帶線，有開(kāi)路枝節(jié)、短路枝節(jié)等[5]。

2 本文設(shè)計(jì)指標(biāo)與方案

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

按照民航空管的規(guī)范要求，從射頻理論出發(fā)，采用仿真軟件驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一款適用于機(jī)載工作條件的低噪聲放大器，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)頻率范圍：5 300 MHz～5 600 MHz；

(2)噪聲系數(shù)：NF≤1.3 dB；

(3)增益：Gp≥30 dB；

(4)增益平坦度：GΔ≤1 dB；

(5)回波損耗：Lr≤-15 dB。

2.2 晶體管選型

體管選型主要考慮以下幾點(diǎn)：

(1)工作頻段；

(2)噪聲系數(shù)；

(3)增益要求。

由于本設(shè)計(jì)工作于C波段，要求的增益比較高，噪聲系數(shù)比較低，決定選用Avago的ATF-36077高電子遷移率晶體管。該晶體管為砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體器件，具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合機(jī)載工作環(huán)境[6]。它能工作于2～18 GHz的超寬頻率范圍，并且具有超低的噪聲系數(shù)，在C波段增益能達(dá)到16 dB以上。

2.3 電路結(jié)構(gòu)

前面提出的指標(biāo)對(duì)端口回波要求比較高，特別是輸入回波，但低噪聲放大器在做輸入匹配的時(shí)候，輸入回波跟噪聲系數(shù)不能同時(shí)兼顧。為了保證良好的輸入回波，本設(shè)計(jì)采用平衡式結(jié)構(gòu)，在改善回波損耗的同時(shí)可以保證電路的穩(wěn)定性，即其中一路出現(xiàn)了問(wèn)題，電路仍然可以工作，這符合機(jī)載通信的高穩(wěn)定性要求[7]。

增益要求30 dB以上，單管難以滿足要求，在此采用二級(jí)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)電容耦合，在實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí)還可以減小后續(xù)電路對(duì)噪聲系數(shù)的惡化因子。

2.4 指標(biāo)預(yù)算

鏈路增益等于各級(jí)增益的和，可由式(5)計(jì)算得到：

GLink=LHybrid1+LLNA1+LLNA2+LHybrid2

(5)

其中，鏈路的噪聲系統(tǒng)可以通過(guò)公式(6)來(lái)計(jì)算：

(6)

通過(guò)鏈路仿真軟件Syscal進(jìn)行增益、噪聲系數(shù)等指標(biāo)的評(píng)估，從鏈路預(yù)算的評(píng)估結(jié)果可知，鏈路噪聲系數(shù)為0.81 dB，鏈路增益為31 dB，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，所以方案是可行的。

2.5 鏈路框圖

圖2是整個(gè)系統(tǒng)的鏈路框圖，其中包含兩個(gè)混合電橋以及兩級(jí)放大器。

圖2 鏈路框圖

3 C波段射頻放大器仿真設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于Rogers4350B 30mil厚度的高頻板材，介電常數(shù)Er為3.66,損耗角正切為0.04，損耗較低，性能穩(wěn)定，適合用于C波段的電路設(shè)計(jì)。

3.1 穩(wěn)定性分析

電路級(jí)仿真采用安捷倫公司的ADS仿真軟件，對(duì)Avago公司的晶體管ATF-36077進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行穩(wěn)定性的仿真，通過(guò)源極負(fù)反饋的形式增強(qiáng)穩(wěn)定性，在此處采用微帶的形式，一來(lái)可以增強(qiáng)穩(wěn)定性，二來(lái)不會(huì)對(duì)噪聲系數(shù)有所惡化。圖3是單管的穩(wěn)定性仿真原理圖。圖4是仿真所得的穩(wěn)定性曲線，由圖4可知在5～6 GHz頻率范圍內(nèi)晶體管處在穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖3 單管穩(wěn)定性仿真原理圖

圖4 單管穩(wěn)定性仿真結(jié)果

3.2 單級(jí)放大器仿真

接著將理想的微帶線轉(zhuǎn)換成為實(shí)際的微帶線進(jìn)行單級(jí)晶體管放大器的仿真。

圖6 輸入和輸出回波損耗

圖7 噪聲系數(shù)和穩(wěn)定因子

圖5～7為優(yōu)化后的單級(jí)放大器性能。從圖5可以知道，單級(jí)放大器的增益最高達(dá)到16 dB，反向隔離最高為-20 dB；圖6是輸入與輸出端口的回波損耗，可以看出，端口阻抗匹配得比較好；圖7 給出了電路的穩(wěn)定因子和噪聲系數(shù)，其中噪聲系數(shù)為0.4 dB左右。在此主要對(duì)噪聲系數(shù)進(jìn)行匹配，回波的問(wèn)題可以通過(guò)后續(xù)的平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，所以單級(jí)放大器性能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 兩級(jí)級(jí)聯(lián)仿真

由于單級(jí)放大器的增益為16 dB，要滿足30 dB的指標(biāo)要求，需要兩級(jí)級(jí)聯(lián)，通過(guò)電容耦合的形式進(jìn)行級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)，圖8是兩級(jí)級(jí)聯(lián)仿真原理圖。

圖8 兩級(jí)級(jí)聯(lián)仿真原理圖

兩級(jí)級(jí)聯(lián)后需要對(duì)電路進(jìn)行微調(diào)，由于第一級(jí)增益為16 dB，級(jí)聯(lián)后第二級(jí)對(duì)整體噪聲系數(shù)影響有所減弱，所以級(jí)聯(lián)重點(diǎn)關(guān)注增益和平坦度指標(biāo)，兼顧噪聲，圖9～10是兩級(jí)級(jí)聯(lián)仿真結(jié)果。

圖9 仿真結(jié)果曲線

圖10 穩(wěn)定因子和噪聲系數(shù)

圖9給出了輸入輸出端口的回波損耗以及增益和隔離度曲線，由圖可知，在中心頻率處輸入輸出回波損耗均低于-15 dB，具有很好的匹配；級(jí)聯(lián)增益大于32 dB，增益平坦度為0.8 dB。圖10是穩(wěn)定因子和噪聲系數(shù)曲線，級(jí)聯(lián)后，放大器依然穩(wěn)定，且?guī)?nèi)最大噪聲系數(shù)為0.52 dB，各指標(biāo)依然滿足要求。

3.4 平衡電路仿真

根據(jù)2.3節(jié)的分析，本設(shè)計(jì)采用平衡式架構(gòu)。將兩級(jí)級(jí)聯(lián)的放大器封裝成一個(gè)小模塊，命名為C_LNA，用該模塊構(gòu)建平衡電路框圖，如圖11所示。

圖11 平衡電路框圖

圖11平衡電路中輸入輸出分別為3 dB正交電橋，可以在改善端口回波的同時(shí)保證機(jī)載接收電路的可靠性。在實(shí)際的電路走線時(shí)要注意上下兩路的一致性，一個(gè)是增益的一致性，一個(gè)是相位的一致性，如果上下一致性不好，都會(huì)影響功率的合成。在輸出端可以預(yù)留相位微調(diào)的微帶線，如果由于功放管或者電橋的差異導(dǎo)致上下兩路相位的差異，則可以通過(guò)微調(diào)微帶的長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行相位的補(bǔ)償，最終達(dá)到比較好的合路效果。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證寬帶性能，在頻率1 GHz～6 GHz內(nèi)進(jìn)行寬帶仿真。

從圖12～13可知，在工作帶內(nèi)輸入輸出端口回波損耗都在-25 dB以下，增益大于30.5 dB，帶內(nèi)波動(dòng)0.33 dB，輸出端的噪聲系數(shù)小于1 dB,從圖13可以看出電路在1 GHz～6 GHz寬帶范圍內(nèi)都趨于穩(wěn)定。綜上所述，所設(shè)計(jì)的機(jī)載C波段高性能低噪聲放大器性能優(yōu)越，滿足所有的指標(biāo)要求，部分指標(biāo)還具有較大的余量。

圖12 仿真結(jié)果曲線

圖13 穩(wěn)定因子和噪聲曲線

4 結(jié)論

低噪聲放大器處于接收機(jī)最前端，其指標(biāo)的好壞直接決定了接收機(jī)性能的優(yōu)劣。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要還是對(duì)噪聲系數(shù)、回波損耗和增益進(jìn)行折中，在滿足輸入回波和增益的前提下，優(yōu)化噪聲系數(shù)。安捷倫公司的EDA軟件ADS是2.5維全波仿真軟件，提供豐富和精確的仿真模型，通過(guò)合理運(yùn)用軟件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以加快產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率。本文根據(jù)C波段機(jī)載接收前端的要求，合理選擇設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品，運(yùn)用安捷倫ADS仿真軟件仿真設(shè)計(jì)了一款高性能的低噪聲放大器。

[1] 吳仁彪，宮利蘋(píng)，胡鐵喬．民航地空通信干擾抑制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27(2)：1-5.

[2] 羅旭東．民航電臺(tái)接收機(jī)射頻前端研制[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[3] LUDWIG R， BOGDANOV G.射頻電路設(shè)計(jì)-理論與應(yīng)用[M].王子宇，王心悅，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[4] 廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

[5] 楊國(guó)敏，肖高標(biāo).射頻低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2006,29(1):1-2.

[6] Guo Qing,Lv Shengang.C-band solid state T/R module design for SAR application[C]. Asia-Pacifi Coference on Synthetic Aperture Radar,Xi’an,China, 2009:345-347.

[7] 范寧松，夏達(dá)，何慧.S波段空管雷達(dá)2.2 kW固態(tài)功放組件的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2013, 35(6):65-68.

Research and design for airborne C-band high-performance low noise amplifier

Yang Guangxi

(Southwest Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation of China, Chengdu 610202, China)

This paper researches the design method of the low noise amplifier. Based on the theory of radio-frequency, and combined with the requirements of the current civil aviation onboard C-band radar receiver front-end, a high gain amplifier is desighed, which has low noise and stable performance, and can satisfy the requirement of C band airborne receiver front-end.

low noise amplifier; link simulaton; C-band radar

TN722

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.011

楊光熹. 機(jī)載C波段高性能低噪聲放大器的研究設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(20)：41-44.

2016-05-19)

楊光熹(1985-)，男，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向：通信監(jiān)視導(dǎo)航。