摘 要：針對通信系統(tǒng)中信噪比的改善問題， 分析了低噪聲放大器的電路形式， 確定了器件的選取方法， 闡述了低噪聲放大器的設(shè)計思路， 介紹了使用ADS 軟件進(jìn)行X 波段低噪聲放大器的設(shè)計。利用Fujits 公司的FHX13X 和Transcom 公司的TC1201, 兩級級聯(lián)， 并對電路進(jìn)行仿真和優(yōu)化， 判定放大器的穩(wěn)定性。通過軟件修正得到終電路設(shè)計， 經(jīng)過終數(shù)據(jù)分析， 總結(jié)設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

　　0  引言

　　在通信系統(tǒng)中， 衡量通信質(zhì)量的一個重要指標(biāo)是信噪比， 而改善信噪比的關(guān)鍵就在于降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)。一個具有低噪聲放大器的接收機(jī)系統(tǒng)， 其整機(jī)噪聲系數(shù)將大大降低， 從而靈敏度大大提高。因此在接收機(jī)系統(tǒng)中低噪聲放大器是很重要的部件。

　　1  電路仿真設(shè)計

　　該項目的微波低噪聲放大器是利用微波低噪聲場效應(yīng)管在微波頻段進(jìn)行放大。特別需要注意的是， 因為場效應(yīng)管都存在著內(nèi)部反饋， 當(dāng)反饋量達(dá)到一定強(qiáng)度時， 將會引起放大器穩(wěn)定性變壞而導(dǎo)致自激， 改善微波管自身穩(wěn)定性采取的是串接阻抗負(fù)反饋法， 在場效應(yīng)管的源極和地之間串接一個阻抗電路， 構(gòu)成負(fù)反饋電路。實際的微波放大器電路中反饋元件常用一段微帶線代替， 相當(dāng)于電感性元件負(fù)反饋， 這樣對電路穩(wěn)定性有所改善。

　　1. 1  確定電路形式

　　噪聲系數(shù)是低噪聲放大器的重要技術(shù)指標(biāo)之一， 低的噪聲系數(shù)與低的輸入駐波在低噪聲放大器的設(shè)計中是一對矛盾。該項目低噪聲放大器在設(shè)計中摒棄了通常為實現(xiàn)低輸入駐波采用輸入加隔離器的方法， 采用負(fù)反饋放大電路。負(fù)反饋放大電路具有頻帶響應(yīng)寬、輸入輸出駐波小和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

　　利用PHEMT 芯片， 應(yīng)用混合集成工藝進(jìn)行設(shè)計， 在寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)了低噪聲系數(shù)和低駐波特性。

　　器件的選用恰當(dāng)與否直接關(guān)系到性能指標(biāo)的優(yōu)劣， 寬帶低噪聲放大器關(guān)鍵的器件就是放大器的基礎(chǔ)——GaAs PHEMT 芯片。為滿足高增益指標(biāo)，GaAs PHEMT 應(yīng)具有盡可能高的跨導(dǎo)； 同時， 為了滿足低的噪聲系數(shù)， GaAs PHEMT 自身的噪聲系數(shù)應(yīng)盡可能低； 由于型譜產(chǎn)品頻段較高， 為了避免分布參數(shù)帶來的影響， 同時減小體積， GaAs PHEMT 選擇采用管芯。

　　該項目為了兼顧噪聲和增益， 所以采用2 級放大。第1 級放大器的設(shè)計必需是噪聲設(shè)計， 即輸入匹配網(wǎng)絡(luò)必需是噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)， 不必追求增益； 第2 級放大器保證輸出功率和總增益。

　　1. 2  第1 級放大器的仿真設(shè)計

　　經(jīng)過選擇該項目第1 級使用Fujits 的FHX13X,其噪聲特性比較好， 使用2 個場效應(yīng)管來進(jìn)行并聯(lián)放大設(shè)計。并聯(lián)放大器的好處在于它的低噪聲特性， 而且容易進(jìn)行匹配。為了改善穩(wěn)定性， 第1 級放大器的2 個源極和地之間各串聯(lián)一個RLC 諧振電路， 并且加入負(fù)反饋， 在柵——漏之間加入RL 串聯(lián)的反饋電路， 這樣雖然會降低增益， 增加噪聲， 但是會對電路的穩(wěn)定性， 增益平坦度， 寬帶的實現(xiàn)， 輸入輸出駐波比有很大改觀。

　　利用軟件進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖1 所示。

圖1  輸入輸出反射系數(shù)仿真結(jié)果

　　如圖1 所示輸入輸出阻抗均完美的匹配好， 輸入輸出反射系數(shù)在7 ~ 8 GHz 的頻帶內(nèi)均小于- 15 dB, 在匹配的中心點(diǎn)7. 5 GHz 其更是達(dá)到了- 35. 322和- 44. 042, 可以說匹配相當(dāng)好。

　　如圖2 所示， 噪聲在7~ 8 GHz 的范圍內(nèi)低于1. 1 dB。增益在7. 5 GHz 的時候為13. 954, 與預(yù)估值13. 955 相差無幾， 且增益平坦度小于1 dB。

　　這樣就完成了第1 級設(shè)計， 輸入輸出阻抗完美匹配， 噪聲小于1. 1 dB, 且有良好的增益為13. 954 dB。

圖2 級噪聲系數(shù)和增益仿真結(jié)果

　　1. 3  第2 級放大器的仿真設(shè)計

　　接下來進(jìn)行功率輸出級的設(shè)計， 功率輸出級選用的是Transcom 公司的TC1201。偏置方式采用的是自給偏置的方式， 將其偏置在4 V 25 mA, 做好偏置后生成它的S2P 文件， 建模并仿真， 仿真過程同第1 級一樣。接好負(fù)反饋和穩(wěn)定性偏置， 并且對器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化， 由于單靠源級的串聯(lián)電路和柵——漏間的負(fù)反饋電路不足以使得電路在7~ 8 GHz 達(dá)到穩(wěn)定， 所以在柵極加入了一個對地并聯(lián)匹配電感， 優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 第2 級增益仿真結(jié)果

　　如圖3 可知， 輸入輸出阻抗匹配良好， 且增益點(diǎn)為12. 449, 與預(yù)估的12. 463 相差無幾。在7~8 GHz的頻帶內(nèi)， 輸入輸出反射系數(shù)也均小于- 20 dB, 增益均大于11. 5 dB。這樣就完成了第2級功率放大級的設(shè)計。

　　1. 4  兩級級聯(lián)的仿真設(shè)計

　　接下來將2 級級聯(lián)在一起， 由于第1 級的輸出端和第2 級的輸入端均完美的匹配到50 , 所以級聯(lián)也沒有什么問題， 由圖4 可以看出， 輸入輸出阻抗匹配方面， 在中心點(diǎn)7. 5 GHz 處， 均匹配良好， 駐波比在1. 086 左右。而在7~ 8 GHz 范圍內(nèi)， 駐波比也均小于2。

圖4  輸入輸出反射系數(shù)和駐波比仿真結(jié)果

　　從圖5 可以得到， 增益在中心頻率達(dá)到26. 401 dB, 在7~ 8 GHz 范圍內(nèi)也均在25 dB 以上。

　　噪聲系數(shù)在7. 5 GHz 為1. 007 dB, 應(yīng)用頻段內(nèi)的噪聲也不超過1. 1 dB。

圖5  級聯(lián)后的增益及噪聲仿真結(jié)果

　　1. 5  仿真結(jié)果分析

　　通過仿真結(jié)果可以看出， 放大器的輸入輸出駐波比、噪聲和增益等指標(biāo)基本上都合格。從設(shè)計中可以了解使用ADS 來設(shè)計低噪聲放大器的基本方法， 首先要做的就是偏置電路的設(shè)計， 然后用S 參數(shù)仿真來進(jìn)行穩(wěn)定性的判斷， 若在使用頻段內(nèi)不穩(wěn)定，還需要進(jìn)行穩(wěn)定性的設(shè)計。當(dāng)場效應(yīng)管工作穩(wěn)定后就要對其進(jìn)行阻抗匹配。一般低噪聲放大器的第1級需要良好的噪聲特性， 所以第1 級的輸入端進(jìn)行噪聲阻抗到50  源負(fù)載的匹配， 輸出端進(jìn)行共軛匹配。如果要考慮到第1 級的增益輸出不能太低的話， 則需要畫出增益圓圖和噪聲圓圖， 然后選擇合適的源阻抗值， 犧牲一部分噪聲來提高增益。第2級一般為功率輸出級， 需要的是的增益輸出， 所以第2 級一般對輸入輸出同時向50  負(fù)載做共軛匹配， 在匹配之前， 需要算出共軛匹配的ZS 和ZL 值， 這個值只有在電路穩(wěn)定的情況下才存在的。

　　2 級分別設(shè)計， 再級聯(lián)， 由于計算機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化， 通常不需調(diào)整就可達(dá)到比較滿意的效果。

　　器件參數(shù)的離散性， 以及加工誤差， 實際加工出來的結(jié)果有一些微小差異， 這就需要在實際調(diào)試中， 稍微調(diào)整一下分布參數(shù)， 就可達(dá)到的效果。

　　2  結(jié)束語

　　該放大器利用ADS2008 優(yōu)化設(shè)計和仿真， 在研制過程中， 通過優(yōu)化噪聲系數(shù)、增益和輸入輸出駐波比之間的矛盾， 由計算機(jī)調(diào)節(jié)噪聲匹配及負(fù)反饋的深度， 改變放大器各指標(biāo)間的相互矛盾， 使整個放大器達(dá)到工作狀態(tài)， 終實現(xiàn)的放大器噪聲低、增益高、體積小、重量輕， 作為接收機(jī)的射頻前端， 已經(jīng)在無人機(jī)機(jī)載和地面設(shè)備中得到應(yīng)用。