張帥

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫214072）

一種0.03~1.7 GHz超寬帶低噪聲放大器的設計與制作

張帥

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫214072）

為了降低接收機前端的噪聲，設計了一種超寬帶低噪聲放大器。選用噪聲較小、增益較高且工作電流較低的放大管，利用負反饋和寬帶匹配技術，結合ADS和HFSS微波軟件輔助設計，放大器在30 MHz~1700 MHz范圍內(nèi)，增益大于31 dB，平坦度小于±0.5 dB，噪聲系數(shù)小于2.3 dB，駐波比小于1.6。

超寬帶；低噪聲放大器；負反饋；寬帶匹配

1 引言

隨著光纖通信、移動通信、衛(wèi)星通訊、電子對抗、微波測量儀器向著更高的工作頻段發(fā)展，通信質(zhì)量和帶寬的問題受到越來越廣泛的重視。信噪比是衡量通信質(zhì)量的一個重要指標，降低接收機的噪聲系數(shù)（NF）是改善信噪比的關鍵所在。低噪聲放大器（LNA）主要用于射頻微波電路接收前端，對微弱的接收信號進行放大，其性能的優(yōu)劣直接影響著整個接收鏈路的噪聲系數(shù)、靈敏度和線性度等重要指標。LNA設計的基本要求是極低的NF、較高的增益、良好的穩(wěn)定性和較好的增益平坦度。各項指標之間的折中選擇是設計中的重點和難點[1]。利用ADS2008和HFSS微波CAD軟件，設計了一種超寬帶低噪聲放大器，在大于20個倍頻程的工作頻帶內(nèi)，具有良好的NF、增益及平坦度。

2 電路結構設計方案

設計寬帶放大器時關鍵是采用合理的措施補償6 dB/倍頻程的增益滾降，且保證整個頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性，所以要考慮寬頻帶阻抗匹配及選擇恰當?shù)碾娐沸问絒2]。寬帶放大器目前主要有分布放大器、平衡放大器、有耗匹配放大器、負反饋放大器。而負反饋放大器相比于前幾種，以增加少量噪聲為代價，在寬頻帶內(nèi)能獲得較好的增益平坦度和端口駐波系數(shù)，因而得到了廣泛的應用[1]。

放大器的要求是：工作頻段30 MHz~1700 MHz，增益大于31 dB，增益平坦小于±0.5 dB，噪聲系數(shù)小于2.3 dB。綜合考慮采用負反饋形式效果最佳，所以采用負反饋的形式。采用兩級放大器級聯(lián)的結構。第1級放大器的設計必需是最佳噪聲設計,即輸入匹配網(wǎng)絡必需是最佳噪聲匹配網(wǎng)絡,不必追求最大增益;第2級放大器保證輸出功率和總增益[3]。采用負反饋設計，增加帶寬。1級和2級中間增加電感和電阻結構的補償電路，調(diào)整增益平坦度。

2.1 器件選取與偏置電路

兩級放大電路均選用AVAGO公司的ATF54143晶體管，具有很低的噪聲、高增益、高線性度、工作電流小、供電方式簡單等特性，此外，它的靜態(tài)工作點較穩(wěn)定，不易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。與耗盡型晶體管相比，它不需要給柵極供負電壓，可以簡化PCB布板的復雜性，適用于本設計。在2 GHz以下，增益為16.6 dB，S11和S22均優(yōu)于-10 dB，P1dB均大于16 dB，其NF<0.9 dB。偏置電路見圖1。

圖1 ATF55143偏置電路

兩級放大均是單極供電。偏置電路結構簡單，易調(diào)整。扼流電感用4.7 μH的繞線電感，耦合電容用COMPEX公司的100 pF芯片電容。

2.2 穩(wěn)定性分析和設計

因為高增益放大器比較容易自激，所以電路的穩(wěn)定性設計必不可少，此外在結構設計上及裝配工藝上都要考慮穩(wěn)定性因素。放大器腔體的橫向寬度要小于最高頻率的半波長，以避免產(chǎn)生腔體效應?？捎肏FSS軟件仿真，優(yōu)化腔體尺寸。在實際調(diào)試中，必要時，腔體的上蓋還要貼錫箔材料或者微波吸收材料，以減小空間耦合引起的增益起伏。在版圖空白處添加通孔接地，一方面為了保證散熱和接地效果良好，另一方面是方便調(diào)試。該放大器在設計時應考慮可裝配性，基片燒結時需用壓塊將射頻基片壓緊在腔體上，防止基片燒結空洞，影響傳輸線阻抗。在設計基片時，應考慮基片接地效果良好，所以在基片適當?shù)胤椒胖眠m量的接地孔和螺釘孔，并把接地孔和螺釘孔的孔壁金屬化，使得整個基片接地良好[4]。

電路基板選用Rogers’公司的5880，其介電常數(shù)為2.2，厚度為0.19 mm，銅箔厚度為0.5 oz。

2.3 負反饋電路設計

如圖2采用負反饋的設計來控制各指標的平衡。負反饋以犧牲放大器的增益為代價，可以減小晶體管兩端口的S11和S22的幅度，使得寬帶匹配更容易實現(xiàn)，增強低頻穩(wěn)定性。通過負反饋來改善增益平坦度和端口駐波，同時兼顧電路的穩(wěn)定性[5]。

圖2 負反饋網(wǎng)絡

漏極和柵極之間的負反饋電路由電阻、電容、電感組成。電阻采用一定阻值的薄膜電阻，耦合電容起隔直作用，容值取100 pF，電感選用直徑25 μm的金絲在準0.2 mm的漆包線上繞制而成。

要使晶體管能實現(xiàn)放大功能，必須保證Vds和Vgs在正常范圍內(nèi)，此時源級直接接地。源極電勢為0 V，漏極和源極之間就能形成電勢差Vds；柵極和源極之間就能形成電勢差Vgs。

2.4 匹配電路設計

低噪聲放大器的主要技術指標噪聲系數(shù)（NF）、增益（Gain）、增益平坦度（△G）以及電壓駐波比（VSWR）主要取決于電路的匹配。兩級低噪聲放大電路的輸入匹配應按最佳噪聲設計，輸出電路匹配到50 Ω，實現(xiàn)最佳功率匹配。同時，應兼顧到增益平坦度的要求。

2.5 電路優(yōu)化

利用ADS2008軟件，首先對ATF54143的單片放大器進行分析，確保單片放大器的噪聲參數(shù)和S參數(shù)達到最優(yōu)化設計，之后級聯(lián)兩片放大器，再次對整個鏈路進行優(yōu)化分析。在優(yōu)化電路時，應包括主要電路的集總參數(shù)元件的分布電感和分布電容，不連續(xù)節(jié)點和金屬孔化等并且需要考慮器件S參數(shù)和噪聲參數(shù)的離散性。由于要同時兼顧噪聲、增益、平坦度和駐波比等指標，計算過程很復雜，所以借助ADS對放大器的前后級匹配電路和整體性能參數(shù)進行調(diào)試優(yōu)化。

3 電路調(diào)試

根據(jù)以上優(yōu)化仿真的結果參數(shù)，在ADS中確定電容、電阻值以及芯片的具體位置和焊接距離，用Microstrip計算微帶線的長度和寬度。圖3是放大器裝配好后的實物圖。主體尺寸僅為28 mm×25 mm× 14 mm，體積小重量輕。射頻接口為BJ220型波導，電源接口為Y4-4ZJBM。

圖3 低噪聲放大器實物圖

進行初始態(tài)測試后，發(fā)現(xiàn)整體增益偏小，通過減小圖2中級間匹配網(wǎng)絡內(nèi)的衰減實現(xiàn)增益的整體上升；由圖4中上側曲線可見，增益呈現(xiàn)出兩端高中間低的趨勢，帶內(nèi)平坦度很差，此時通過增加圖2中前級放大器的柵極輸入的電感量，低端增益平坦度有改善，但高端還是很差；當電感量增加到最佳值后，指標反而變差；為了優(yōu)化平坦度，可以嘗試單獨降低高端增益，調(diào)整圖2中第二級漏極負反饋網(wǎng)絡中的電感得到圖4中的下側曲線，在1.0 GHz~1.9 GHz頻帶內(nèi)，增益下降了1 dB，從而整個帶內(nèi)平坦度得到了很大改善。經(jīng)上述的調(diào)試方法，得到在30 MHz~1700 MHz的頻率范圍內(nèi)，增益大于31 dB，帶內(nèi)平坦度為0.8 dB。

圖4 S21的測試結果

此低噪聲放大器在設計時著重關注噪聲，如圖5所示，在整個頻帶內(nèi)NF<2.3 dB，在50 MHz~1400 MHz（大于20個倍頻程）內(nèi)NF<1.8 dB。噪聲系數(shù)的實測結果滿足設計要求，兼顧到其他各項指標，保留結果。

圖5 噪聲的測試結果

測試結果（表1）表明，在0.03 GHz~1.7 GHz的超寬帶范圍內(nèi)，增益在33 dB左右，增益平坦小于±0.5 dB，噪聲系數(shù)小于2.3 dB，輸入、輸出駐波小于1.6，實際測試結果與仿真設計結果比較吻合。

表1 超寬帶LNA測試結果

4 結束語

30 MHz~1700 MHz超寬帶低噪聲放大器采用負反饋技術，利用ADS2008和HFSS微波CAD軟件進行優(yōu)化設計，采用成熟的微電裝工藝制作完成。實測得到在大于20個倍頻程內(nèi)具有噪聲低（＜2.3 dB）、增益高（＞31 dB）、平坦度好（＜±0.5 dB）、工作電流低于120 mA、功耗小、駐波比低（＜1.6）的特點。

[1]肖勇，吳中川，白波，劉杰龍.0.2 GHz~3.2 GHz超寬帶低噪聲放大器的研制[J].信息與電子工程,2011.

[2]潘少祠.2.4 GHz低噪聲放大器的研究[J].杭州電子科技大學學報,2005,25(4):56-59.

[3]趙云.X波段低噪聲放大器設計分析[J].無線電工程，2011.

[4]錢可偉,田忠.0.1~2.8 GHz超寬帶低噪聲放大器的研制[J].電子元件與材料,2008.

[5]吳鄭磊.微波寬帶低噪聲放大器的設計[D].成都:電子科技大學,2006.

Design of 0.03-1.7 GHz Ultra-wideband Low-Noise Amplifier

ZHANG Shuai
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

To reduce the noise of the receiver front end,in the paper an ultra-wideband low-noise amplifier is designed,which selects amplifier tube of low noise,low current and high gain,uses negative feedback and wideband matching technology and combines with ADS and HFSS software.The amplifier in the 30 MHz~ 1700 MHz range obtains the gain greater than 31 dB,the flatness less than±0.5 dB,noise figure less than 2.3 dB, and VSWRlessthan 1.6.

Ultra wideband;low noise amplifier;negative feedback;wideband matching

TN325+.3

A

1681-1070（2017）08-0033-03

張帥（1990—），男，江蘇宿遷人，碩士研究生畢業(yè)，研究方向為微波器件，現(xiàn)在中國電子科技集團公司第58研究所模塊室從事微波組件設計工作。

2017-5-15