王志鵬，文繼國

（成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，四川雙流610225）

由于超寬帶（Ultra-Wideband）信號的功率譜密度非常低，頻帶跨度大，信號難以被檢查到，再加上采用跳頻、直接序列擴(kuò)頻等擴(kuò)頻多址技術(shù)，使得非授權(quán)用戶很難捕捉到有用的信息，極好的保密性被廣泛的運(yùn)用到當(dāng)代軍事系統(tǒng)當(dāng)中。超寬帶低噪聲放大器作為射頻微波電路接收前端的核心部分，性能的好壞直接決定著射頻接收系統(tǒng)整體的指標(biāo)[1]。因此為了達(dá)到改善通信質(zhì)量，降低整機(jī)噪聲系數(shù)，提高接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏度的目的[2]，具有較高的增益和較低的噪聲系數(shù)的LNA成為本文研究得重點(diǎn)。此外，為了穩(wěn)定輸出和最大化接收機(jī)的動態(tài)范圍需求，提高接收機(jī)對非線性信號的抗干擾能力，以便本文設(shè)計(jì)的超寬帶低噪聲放大器能靈活的應(yīng)用于各種超寬帶系統(tǒng)中，還希望超寬帶放大器能具有增益可調(diào)的特性。

為了實(shí)現(xiàn)放大器增益可調(diào)功能，MMIC芯片以其緊湊、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)和高產(chǎn)品性能一致性等被選為本設(shè)計(jì)的數(shù)控衰減芯片[3-6]。實(shí)現(xiàn)了一款具有增益可控以及耦合檢波功能的超寬帶低噪聲放大器。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要求增益大于20 dB，考慮到電路設(shè)計(jì)中器件的插損，因此需要在設(shè)計(jì)時留出一定的余量。以29 dB作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，由于一級放大器增益不夠，三級設(shè)計(jì)容易產(chǎn)生自激振蕩，所以選用兩級放大器級聯(lián)的形式。為了防止輸入功率過大燒毀芯片，在電路的輸入端放置一個限幅二極管把輸出信號幅度限定在一定的范圍內(nèi)，由于CLA4601-000具有較陡值的UI特性，使之具有良好的開關(guān)特性，可以有效保護(hù)后面的放大器芯片。為了增加隔離度以及調(diào)節(jié)整機(jī)的總體增益，在設(shè)計(jì)電路時預(yù)留出調(diào)節(jié)位置。同時為了減小放大器的尺寸，實(shí)現(xiàn)檢波的功能，通過正面版的耦合器把射頻信號耦合到背面版的檢波器輸出電壓信號，起到檢波的作用。組成框圖如圖1所示。

圖1 組成原理框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 放大器穩(wěn)定性分析

在設(shè)計(jì)放大器電路的過程中，需要重點(diǎn)考慮放大器的特性參數(shù)很多，主要包括放大器的穩(wěn)定性，增益，輸入輸出駐波比和噪聲等。其中為了使放大器正常工作，避免自激振蕩的出現(xiàn)，穩(wěn)定性因數(shù)起到了關(guān)鍵性作用。放大器穩(wěn)定性是在面對環(huán)境變化（信號頻率，溫度，濕度等），依然能夠維持正常工作的能力。一個微波管的射頻絕對穩(wěn)定條件是:

其中D=S11S22-S12S21。只有當(dāng)3個條件全部滿足時，才能保證放大器是決定穩(wěn)定的。

通常在設(shè)計(jì)的過程中，為了改善放大器的穩(wěn)定性，主要有3種方法。

1）串聯(lián)阻抗負(fù)反饋。

2）用鐵氧體隔離器。

3）穩(wěn)定衰減器。

本文設(shè)計(jì)的放大器主要通過在兩個晶體管之間添加均衡器和π型衰減來增加隔離度，來防止整機(jī)低溫自激振蕩。

2.2 放大器芯片選型

有源微波固態(tài)電路的整體性能主要由所選器件的基本性能參數(shù)所決定[1]。根據(jù)噪聲級聯(lián)公式，故選擇一款符合設(shè)計(jì)要求且性能優(yōu)異的微波低噪聲放大器，已成為獲得優(yōu)良電路的基本前提。美國萬通（WanTcom）作為世界知名的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)企業(yè)、制造商和供應(yīng)商。其生產(chǎn)的微波器件性能優(yōu)越，穩(wěn)定性高。這里我們選擇該公司生產(chǎn)的一款低噪聲放大器芯片WHM0035進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。WHM0035在0.02～3 GHz的寬頻帶內(nèi)，具有±0.5 dB的平坦度，最大增益為15 dB，且噪聲系數(shù)低于1.2 dB.考慮到放大器整體的指標(biāo)要求增益大于20 dB，所以第二級放大器選擇安高華公司生產(chǎn)的放大器芯片TQP3M9028，在0.05～4 GHz的頻帶范圍內(nèi)，具有15 dB增益，輸出1 dB壓縮點(diǎn)達(dá)到了20.7 dBm。

2.3 MMIC衰減器的組成和工作原理

超短波接收機(jī)的一個重要指標(biāo)是動態(tài)范圍的大小，大動態(tài)范圍的接收機(jī)不僅能夠以極低的失真檢測幅度相差達(dá)90或者100 dB的信號，而且還能夠避免遠(yuǎn)離接收機(jī)調(diào)諧頻率的大信號以及相互之間因非線性作用產(chǎn)生的虛假信號，例如三階交調(diào)失真。本文為了提高整機(jī)的動態(tài)范圍達(dá)到增益可調(diào)的目的，采用了對整機(jī)進(jìn)行增益控制的方法，因此數(shù)控衰減芯片成為必不可少的部分，同時為了縮小整體設(shè)計(jì)的尺寸大小，本設(shè)計(jì)選擇了一款數(shù)字驅(qū)動的6bit數(shù)控衰減微波單片集成電路（MMIC）[7]。該MMIC由數(shù)字驅(qū)動器和數(shù)控衰減器集成在一起，其中數(shù)字驅(qū)動電路采用的是直接耦合場效應(yīng)晶體管邏輯電路，數(shù)控衰減器包括6個衰減狀態(tài)并且通過級聯(lián)組成。數(shù)控衰減器由三部分組成：PHEMT、微帶線和電阻。PHEMT在數(shù)控衰減器中起到開關(guān)作用，由電阻構(gòu)成的π型或者T型結(jié)構(gòu)對傳輸信號進(jìn)行衰減。能夠?qū)崿F(xiàn)16，8，4，2，1和0.5 dB 6個衰減基本態(tài)級聯(lián)組成，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)為0.5 dB，最大衰減量為31.5 dB[8]。

其中0.5 dB和1 dB小衰減位采用的是簡化的T型衰減結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有簡單、插入損耗小等優(yōu)點(diǎn)，適用于小衰減位。

2，4和8 dB大衰減位采用π型衰減結(jié)構(gòu)，16 dB采用兩個8 dB結(jié)構(gòu)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)[6]。具有輸入輸出駐波小等優(yōu)點(diǎn)，適用于大衰減位。如圖2是整個衰減器的實(shí)物圖。

圖2 MMIC衰減器

2.4 耦合檢波電路的設(shè)計(jì)

射頻信號從一端輸入，為了同時實(shí)現(xiàn)信號輸出和信號檢波的功能，需要把信號分成兩部分進(jìn)行分別處理，其中定向耦合器屬于功率分配器件的一種，其種類通常有單定向耦合器和雙定向耦合器以及同軸型定向耦合器和波導(dǎo)型定向耦合器之分[9]。在設(shè)計(jì)耦合器時，主要考慮到耦合器的耦合度、方向性、插損和駐波系數(shù)，以及最大損壞功率等。耦合度是指輸入信號耦合到副臂端的程度，它反映了耦合端能接收到的功率大小，當(dāng)主臂端接50 Ω負(fù)載時，入射信號與輸出信號之比取對數(shù)之值。通常情況下耦合度的絕對值越大，耦合器插損的絕對值越小。定向耦合器的插損一般都比較小，這里我們選取的耦合芯片RBDC-20-63+的插損小于0.7 dB，耦合度為20 dB，最大輸入功率為23 dBm。射頻信號經(jīng)過耦合器，一路正常輸出，另一路耦合到背面板的檢波器中，為了匹配檢波器電路，耦合輸出端要并聯(lián)一個50 Ω的電阻，可以有效擴(kuò)大檢波器輸出電壓的動態(tài)范圍。

為了實(shí)時反映射頻電路輸出信號的大小以及是否正常正常工作，需要設(shè)計(jì)一個檢波電路把射頻信號轉(zhuǎn)化為更加直觀的電壓信號。這里選擇的是亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司的一款檢波芯片ADL5513，該芯片是一款解調(diào)對數(shù)放大器，能夠精確地將射頻信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的分貝標(biāo)度輸出[10]。ADL5513在級聯(lián)放大器鏈路采用漸近壓縮技術(shù)，鏈路每一級配備一個檢波器單元。具有80 dB的動態(tài)范圍，誤差精度小于±3 dB。作為測量器件，Vout引腳接輸出端并與Vset外部通過電阻相連輸出電壓信號，并且輸出電壓隨著RF輸入信號幅度呈線性變化，斜率為20mV/dB，可以通過調(diào)節(jié)外圍電路來改變斜率的大小.在檢波器的輸出端使用560pF的電容。最后完成的檢波電路如圖3所示。

圖3 檢波電路

3 系統(tǒng)的調(diào)試和測量

3.1 系統(tǒng)的調(diào)試

本設(shè)計(jì)采用兩級放大，為了符合平坦度的要求，需要在兩個放大器之間加一個均衡器[11]，通過ADS設(shè)計(jì)了一個符合要求的均衡器[12-13]。電路結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果如圖4所示。其中優(yōu)化得出R1=22 Ω，R2=50 Ω，C1=47 pF，L1=56 nH。

由仿真結(jié)果可以看出，dB（S（2，1））從30 MHz開始到30 GHz結(jié)束，呈現(xiàn)上升趨勢，使得低端均下6 dB的增益，高端均下1 dB。

最后得到放大器的平坦度趨近于±0.5 dB。由仿真出來的反射系數(shù)均小于-10 dB，有效降低了均衡器對系統(tǒng)駐波的影響。

最后一通過Smith圓圖仿真，在預(yù)留調(diào)試位置進(jìn)行電路匹配來降低駐波系數(shù)并優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)[14-16]，制作實(shí)物如圖5，6所示。

圖4 ADS仿真電路圖

圖5 放大器正面結(jié)構(gòu)

圖6 放大器背面結(jié)構(gòu)

其中圖5為放大器的正面結(jié)構(gòu)，信號經(jīng)過輸出端的耦合器耦合到背面板（圖6），經(jīng)過檢波芯片ADL5513轉(zhuǎn)化為檢波電壓輸出。

3.2 測量結(jié)果

裝配好放大器實(shí)物后，用適量網(wǎng)絡(luò)分析儀和噪聲系數(shù)分析儀進(jìn)行測試。由于仿真設(shè)計(jì)與實(shí)際器件必然存在差異，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終較好的滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)。由圖7知研制出的低噪聲放大器增益大于20 dB，平坦度小于±0.5 dB，噪聲系數(shù)在2.73 GHz時最大為2.14 dB。

圖7 測試結(jié)果

利用萬用表對輸出檢波電壓進(jìn)行測量，測得檢波動態(tài)范圍大于50 dB。輸出檢波電壓測量數(shù)據(jù)如下表所示。由表格1可以看出，在輸入信號功率從-55 dBm增加到-5 dBm的過程中，輸入功率每調(diào)整10 dBm，輸出檢波電壓增加0.2 mV，因此輸出檢波電壓隨著RF輸入信號幅度呈dB線性增加，斜率為20 mV/dB。

表1 檢波輸出電壓

4 結(jié)論

文中介紹了一種超寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，該放大器具有增益調(diào)節(jié)功能以及耦合檢波的功能有效的擴(kuò)大了整機(jī)的動態(tài)范圍，調(diào)高了隊(duì)非線性信號的抗干擾能力。通過采用成熟的微組裝工藝制作完成，測試結(jié)果比較理想，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，該放大器達(dá)到了較高的性能指標(biāo)，可以在各種電子通訊系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。