L波段低噪聲放大器的設(shè)計

引言

低噪聲放大器(LNA)是雷達(dá)、通信、電子對抗、遙測遙控等電子系統(tǒng)中關(guān)鍵的微波部件，有廣泛的應(yīng)用價值。由于微波系統(tǒng)的噪聲系數(shù)基本上取決于前級放大器的噪聲系數(shù)，因此LNA噪聲系數(shù)的優(yōu)劣會直接影響整個系統(tǒng)性能的好壞。低噪聲放大器的設(shè)計主要包括輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和直流偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以及改善晶體管穩(wěn)定的措施。

本文首先介紹放大器提高穩(wěn)定性的源極串聯(lián)負(fù)反饋原理，然后設(shè)計了一個L波段的低噪聲放大器實例，并給出了放火器輸入、輸出回波損耗、增益、噪聲系數(shù)等參數(shù)的仿真結(jié)果。

低噪聲放大器的設(shè)計

本文所設(shè)計的低噪聲放大器的性能指標(biāo)為：在1.90GHz～2.10GHz的頻段內(nèi)，功率增益Gp≥30dB，噪聲系數(shù)NF≤1dB?？紤]指標(biāo)要求，擬采用兩級放大級聯(lián)技術(shù)來實現(xiàn)。n級放大器噪聲系數(shù)可表示為：


其中，NF為放大器整機(jī)的噪聲系數(shù)；NF1、NF2…NFn分別是放大器第1級、第2級至第n級的噪聲系數(shù)；G1、G2、…Gn-1分別是放大器第1級、第2級至第n-1級的功率增益。由公式(1)可知，第一級放大器的噪聲系數(shù)和增益將直接影響整個放大器的噪聲系數(shù)。級聯(lián)低噪聲放大器要獲得低的噪聲系數(shù)，選擇的放大器第一級晶體管應(yīng)該在工作頻率具有低的噪聲系數(shù)和較高的增益。

設(shè)計LNA首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計指標(biāo)選擇合適的器件，然后根據(jù)器件在工作頻率的阻抗特性設(shè)計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。由于設(shè)計的低噪聲放大器的增益指標(biāo)大于30dB，因此需要使用多級級聯(lián)的方式來實現(xiàn)。Agilent公司的ATF54143 E-PHEMT晶體管具有高增益和低噪聲的特性，適用于頻率范圍在450MHz～6GHz無線系統(tǒng)的各種LNA電路中。該管子在2GHz頻點上的噪聲系數(shù)是0.5dB，增益為17dB，因此選擇了該晶體管作為放大器的第一級；為實現(xiàn)放大器的增益指標(biāo)，選用MGA86576作為第二級。

源極串聯(lián)反饋電感對穩(wěn)定性的影響

穩(wěn)定性是LNA電路必須考慮的，放大器的穩(wěn)定性是指對振蕩的抑制水平，必須保證放大器的穩(wěn)定性，以避免可能出現(xiàn)的自激。在晶體管放人器的二端口網(wǎng)絡(luò)中，它的兩個端口分別接信號源和負(fù)載，有了雙端口剛路的S參數(shù)，可以方便地計算放大器的穩(wěn)定系數(shù)K，穩(wěn)定性判據(jù)如下：



其中△=|S11S22-S12S21|。當(dāng)K>1且△<0時，放大器處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)；K<1，電路則潛在不穩(wěn)定。

由于AFT54143在工作頻段內(nèi)不是絕對穩(wěn)定的，為了提高放大器的穩(wěn)定性，在輸出端并聯(lián)一個100Ω的電阻。為確保ATF54143在盡可能寬的頻帶內(nèi)保持穩(wěn)定，這里采取源極引入串聯(lián)感性反饋的方法，電感采用一段很細(xì)的微帶線來代替，晶體管接入串聯(lián)反饋電感后的等效電路如圖1所示。

串聯(lián)反饋電感LS后，晶體管的輸入阻抗Zin可以表示為：


當(dāng)wLs<<Rds+Ri時，輸入阻抗可以近似為：



從公式(4)可以看出，在源極串聯(lián)電感后，可以增加晶體管雙端口網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗的實部，而虛部基本保持不變，使其逐漸與最佳噪聲匹配的阻抗重合；另一方面，增加一個無源元件不會使晶體管的噪聲性能惡化。

接入源極負(fù)反饋后，對ATF54143進(jìn)行仿真。圖2即為晶體管穩(wěn)定性改善前后的仿真結(jié)果圖，(a)是末接入源極負(fù)反饋時，晶體管在小于3.5GHz的頻段內(nèi)都是不穩(wěn)定的；(b)是接入源極電感后，ATF54143在1.9GHz～2.1GHz頻段范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的?？梢姴捎迷礃O串聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)后，穩(wěn)定性因子K在所要求的頻率范圍內(nèi)大于1，滿足絕對穩(wěn)定的條件要求。

偏置電路的設(shè)計

直流偏置電路為放大器提供合適的電壓和電流，使得晶體管工作于要求的靜態(tài)工作點，并在晶體管參數(shù)和溫度變化的范圍內(nèi)，保持靜態(tài)工作點的恒定。根據(jù)器件特性選擇最佳條件，這里選取ATF54143的典型直流工作點參數(shù)：VDS=3V，ID=60mA；偏置的方式采用了電阻偏置，它有較好的溫度穩(wěn)定性。結(jié)合上述偏置電路的設(shè)計原則和ATF54143的S參數(shù)數(shù)據(jù)，就可設(shè)計出如圖3所示的直流偏置電路。

其中Vdc是饋電電壓，其值選5V；Vds是ATF54143的漏源工作電壓，大小為3V；Idc是ATF54143靜態(tài)工作點所需的漏極電流，大小為60mA；IBB是流過R3、R4電阻分壓器的電流，它一般至少為門極漏電流的10倍，這里選為2mA；R2的計算則基于Vdc和Idc。由公式(5)、(6)、(7)可計算出R2=32.3Ω，R3=1200Ω，R4=300Ω。R5為高阻態(tài)電阻，這里選取R5值為12KΩ，取較大的阻值可以提高晶體管的效率。


輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

低噪聲放大器設(shè)計中，輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是在獲得噪聲系數(shù)、增益指標(biāo)的前提下，將晶體管的輸入阻抗、輸出阻抗分別變換到標(biāo)準(zhǔn)的50Ω。通常低噪聲放大器的最大增益和最佳噪聲系數(shù)不可能同時獲得，因此，在設(shè)計的過程中需要對增益和噪聲系數(shù)等指標(biāo)取折衷，以滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。設(shè)計中采用的基板是厚度為1 mm，相對介電常數(shù)為2.7的F4B介質(zhì)板。

第一級放大電路的設(shè)計根據(jù)ATF54143的小信號S參數(shù)計算出放大器中心頻率的輸入、輸出阻抗，輸入阻抗Zin=50×(0.999+j3.928E-4)，輸出阻抗Zout=50×(1.017+j0.064)，采用共軛匹配的方法，即ZS=Z*in，ZL=Z*out，從而進(jìn)行輸入和輸出匹配電路的設(shè)計，并采用ADS軟件對設(shè)計的匹配網(wǎng)絡(luò)微帶電路尺寸進(jìn)行優(yōu)化、仿真。放大器的噪聲系數(shù)頻率響應(yīng)如圖4所示，從圖中可以看出放大器的噪聲系數(shù)在中心工作頻率大約為0.6dB；圖5為放大器增益／頻率曲線，可以看出，設(shè)計的第一級放大器增益在工作頻率范圍內(nèi)大于10dB。

放大電路第二級的MGA86576由于本身就是一個內(nèi)匹配的增益模塊，可直接與第一級進(jìn)行級聯(lián)。但為了減小輸入／輸出回波損耗，所以在此級放大電路加入了匹配電路的設(shè)計，步驟與第一級類似，級間用電容相連。

仿真結(jié)果

電路設(shè)計完成后，使用ADS軟件對設(shè)計的低噪聲放大器進(jìn)行仿真，其中，圖6為低噪聲放大器的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果，可以看出在1.90GHz～2.10GHz頻段中噪聲系數(shù)NF≤0.67dB；圖7為低噪聲放大器的增益特性頻率響應(yīng)，在2.0GHz頻點上，增益大約為38dB；圖8為整個低噪聲放大器的輸入、輸出回波損耗頻率響應(yīng)，其中的虛線是輸入回波損耗，實線是輸出回波損耗，在整個工作頻段內(nèi)輸入回波損耗小于-15dB，輸出回波損耗小于-22dB。

結(jié)語

本文介紹了一種采用源極串聯(lián)負(fù)反饋提高低噪聲放大器穩(wěn)定性的方法，并設(shè)計了一個中心頻率為2GHz、帶寬為200MHz的L波段低噪聲放大器，仿真結(jié)果表明，源極串聯(lián)負(fù)反饋可以提高放大器的低頻穩(wěn)定性。