基于超導(dǎo)接收機(jī)前端的低溫低噪聲放大器設(shè)計(jì)
引言
隨著現(xiàn)代無(wú)線通信、微波測(cè)量、電子對(duì)抗等技術(shù)的高速 發(fā)展,一些工作特定環(huán)境下的接收機(jī)需要更高的性能要求。 高溫超導(dǎo)接收機(jī)(High temperature superconducting receiver, HTS receiver)前端則以其高靈敏度、高選擇性、極低噪聲等 特點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生,高溫超導(dǎo)接收機(jī)前端由高溫超導(dǎo)濾波器和低溫 低噪聲放大器(Cryogenic Low Noise Amplifier,CLNA)組成。 CLNA作為接收機(jī)第一級(jí)有源器件,其噪聲性能直接決定了 接收機(jī)的靈敏度。文獻(xiàn)[1]顯示,在常用通訊頻段中,60 K低 溫下的放大器噪聲系數(shù)(Noise Figure,NF)較之常溫下的噪 聲系數(shù)下降約0.4 dB,這可極大提高通信的傳輸效率和質(zhì)量。 目前,HTS receiver在雷達(dá)、通信、射電天文接收機(jī)中得到廣 泛的應(yīng)用。
近年來(lái),通過(guò)低溫冷卻LNA中的高電子遷移率晶體管 (High Electron Mobility Transistor, HEMT)使得低噪聲放大 器快速發(fā)展并大幅提高了其性能。但HEMT管難以在幾百兆 赫茲頻率范圍工作的的同時(shí)達(dá)到較小噪聲,亦是 工作在800 MHz及以上頻率范圍。本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求,在 500?700 MHz頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出能優(yōu)異的CLNA,這必須 權(quán)衡低NF、高增益,無(wú)條件穩(wěn)定等因素,無(wú)疑增加了設(shè)計(jì)難度。 本文最終實(shí)現(xiàn)77 K液氮低溫環(huán)境下:噪聲系數(shù)小于0.5 dB, 增益大于30 dB,反射系數(shù)小于-15 dB。
1低溫低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真
1.1器件選擇
由于器件在低溫下的工作特性與常溫環(huán)境下不同,通過(guò) 常規(guī)手段設(shè)計(jì)的常溫低噪聲放大器直接應(yīng)用于低溫環(huán)境中通 常不能滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于低溫低噪聲放大器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)直接在低溫下調(diào)整還難以實(shí)現(xiàn),文獻(xiàn)[2]給出了一種低溫低噪聲 放大器的預(yù)修正設(shè)計(jì)方案,綜合利用仿真軟件和實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái) 獲取晶體管的低溫參數(shù),進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是,本次我們并 沒(méi)有提取低溫參數(shù),而是通過(guò)選取熟悉的器件,參考常溫特 性及低溫環(huán)境測(cè)試結(jié)果,預(yù)修正與驗(yàn)證設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)選用安 捷倫公司的增強(qiáng)型PHEMT器件ATF-54143,它不僅具有極低 的噪聲與較高的增益,同時(shí)可以消除HEMT器件在低溫下的 深電子陷阱效應(yīng)。
1.2放大器穩(wěn)定型設(shè)計(jì)
在理想放大器中S12為零,放大器會(huì)無(wú)條件穩(wěn)定。但微波 晶體管存在內(nèi)部反饋,晶體管的$12即表示內(nèi)部反饋量,可能 導(dǎo)致放大器穩(wěn)定性變差甚至自激,過(guò)高的增益亦會(huì)造成反饋 功率變大,導(dǎo)致不穩(wěn)定[3]。因此設(shè)計(jì)放大器必須保證放大器 在工作頻段內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定。放大器的絕對(duì)穩(wěn)定條件是:
式中:"為晶體管的S參數(shù),K稱為穩(wěn)定性判別系數(shù),同時(shí)滿 足上述兩個(gè)條件才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。通過(guò)ADS仿 真可以看出來(lái)ATF-54143在工作頻段內(nèi)并不是絕對(duì)穩(wěn)定的。 對(duì)于潛在不穩(wěn)定管子,常見(jiàn)的改善穩(wěn)定性方法有:源級(jí)負(fù)反饋, 一般使用無(wú)耗感抗負(fù)反饋,實(shí)際電路中,常使用微帶線Ls來(lái) 構(gòu)成;輸入、輸出端口串并聯(lián)電阻,用來(lái)抵消自激震蕩引來(lái)的 負(fù)阻抗部分,但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致噪聲系數(shù)惡化。綜合考慮管子特 性及設(shè)計(jì)要求,最終使用源級(jí)負(fù)反饋和阻性元件并聯(lián)反饋結(jié) 構(gòu),反饋結(jié)構(gòu)引入阻性元件Rf可以減少增益紋波、降低寬帶 匹配難度,其引入的的噪聲會(huì)隨著溫度減低得到顯著下降。 本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)達(dá)到設(shè)計(jì)所需增益要求,通過(guò)PI型阻性 衰減器來(lái)提高級(jí)間隔離度。其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.3放大器電路設(shè)計(jì)
放大器電路設(shè)計(jì)包括直流偏置設(shè)計(jì),直流隔離設(shè)計(jì),匹 配電路設(shè)計(jì),版圖聯(lián)合仿真優(yōu)化。
直流偏置設(shè)計(jì)包括了 PHEMT管的靜態(tài)工作點(diǎn)及工作狀 態(tài)的選取和偏置電路設(shè)計(jì),本次設(shè)計(jì)選取3 V、60 mA工作點(diǎn)。 首要滿足最小噪聲的同時(shí),依靠?jī)杉?jí)放大來(lái)提高增益。在保 證將偏置電壓正確送入到PHEMT管腳的同時(shí)需要做到與交 流電路部分達(dá)到良好的隔離。在LNA電路設(shè)計(jì)中,使用隔直 電容G、C4來(lái)抑制直流偏置電壓對(duì)前后級(jí)器件的影響。
匹配電路設(shè)計(jì):低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和放大電路的 匹配網(wǎng)絡(luò)有著緊密的聯(lián)系,二端口放大器噪聲系數(shù)表達(dá)式為:
式中:Fmin表示晶體管噪聲系數(shù)的最小值,rn為晶體管的等效噪聲電阻,Γopt為最佳源反射系數(shù),ΓS為源反射系數(shù)。由此可見(jiàn),當(dāng)Γopt=ΓS時(shí),可實(shí)現(xiàn)最佳噪聲匹配。因此放大器的第一級(jí)按照最小噪聲設(shè)計(jì)同時(shí)適當(dāng)兼顧駐波特性,輸入端反射系數(shù)ΓS選Γopt附近,放大器第二級(jí)設(shè)計(jì)兼顧噪聲和增益。根據(jù)ADS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,添加微帶與焊盤,聯(lián)合仿真最后達(dá)到仿真結(jié)果如圖4所示。
根據(jù) ADS 仿真設(shè)計(jì)的版圖制成 PCB 電路,使用村田0603 封裝元件焊接。為了保證良好的接地,PCB 使用大量過(guò)孔安裝到屏蔽盒地板上,屏蔽盒采用黃銅材料,最終制作的LNA 實(shí)物如圖 2 所示。
2 電路調(diào)整及實(shí)測(cè)結(jié)果
將放大器置于 77 K 溫度的液氮環(huán)境中,初次測(cè)試結(jié)果與
設(shè)計(jì)有不小偏差,這一方面是由于分立元件的離散性和焊接引起的各種寄生參數(shù)影響,另一重要原因是晶體管在低溫環(huán)境下性能參數(shù)的顯著變化。在低溫環(huán)境中,晶體管的 V ~ I 特性會(huì)發(fā)生變化,首先我們需要增加?xùn)艠O電壓來(lái)維持晶體管的漏極電流,保證放大器工所需的偏置條件,測(cè)試顯示惡化嚴(yán)重的輸入駐波得到了改善。 在保證低噪聲的情況下,我們根據(jù)實(shí)測(cè)低溫 S11 與 NF 情況,結(jié)合靈敏度分析,發(fā)現(xiàn)圖 1中反饋電阻 Rf 的值直接關(guān)系輸入駐波和噪聲。液氮環(huán)境中,增大 Rf 可以減小噪聲,但會(huì)惡化輸入駐波,減小 Rf 改善了駐波但會(huì)惡化噪聲,權(quán)衡整個(gè)設(shè)計(jì),我們選擇了一個(gè)最優(yōu)的 Rf 值,最后使得噪聲與駐波均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。最終實(shí)現(xiàn)的放大器測(cè)試結(jié)果如圖 3 ~圖 6 所示,由圖 3 可見(jiàn)放大器在低溫下的噪聲系數(shù)下降約 0.5 dB,極大地提高了放大器的性能。
參考其仿真結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)由分立元件焊接的放大器性 能易出現(xiàn)惡化,增益減小駐波變差等,這說(shuō)明在仿真時(shí)候添 加冗余量的重要性。由常溫和低溫測(cè)試結(jié)果圖發(fā)現(xiàn),按照最 小噪聲兼顧輸入駐波匹配的電路在低溫環(huán)境下,其器件特性 的變化使得之前的匹配并不是在最優(yōu)點(diǎn),這就造成了 Sn的部 分惡化,我們需要根據(jù)模擬結(jié)果,結(jié)合常溫、低溫調(diào)試來(lái)修 正電路模型,最終實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)。
3結(jié)語(yǔ)
本文介紹了 P波段低溫低噪聲放大器的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程, 對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析與說(shuō)明,并成功制備LNA樣品,對(duì) 各項(xiàng)指標(biāo)分別在常溫和低溫下進(jìn)行測(cè)試,很好地完成了設(shè)計(jì)目 標(biāo),低溫下優(yōu)良的性能達(dá)到超導(dǎo)接收機(jī)前端的要求。
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