宽频带低噪声放大器的设计方案

导读：本方案采用Lange耦合器的宽频带特性设计L/S波段平衡式低噪声放大器电路，并通过仿真设计软件对放大器的工作频带、噪声系数、增益及输入、输出驻波比等几个重要指标进行优化。

　　引言

　　宽频带低噪声放大器（Broadband Low Noise Amplitier,BBLNA）是通信、测控等接收系统的关键部件，它的噪声系数、增益及频响特性等指标直接影响着接收系统的主要性能。因此在宽频带接收系统领域，宽频带低噪声放大器的设计将具有非常广阔的市场前景。各种低噪声器件的功率增益都是随着频率的升高而降低，以每倍频程大约3~5 dB规律下降。为获得较宽又较平坦的频响特性，就必须对增益滚降进行补偿。可是有意降低低频段的增益必然使输入、输出驻波比变坏，同时噪声系数也将变大。但是对于宽频带低噪声放大器来说，一般不可能使用隔离器来改善驻波比。另外，低噪声器件的输入、输出阻抗也随频率有较大变化，更增加了匹配电路的复杂性。尽管宽频带低噪声放大器的电路结构有多种形式，但采用Lange耦合器设计的平衡式放大器有噪声方面的优点，其噪声系数与单端低噪声放大器差不多，而在设计匹配电路时，可以完全按照噪声匹配设计，不必兼顾输入、输出驻波比。因此选择平衡式电路结构来进行宽频带低噪声放大器的设计。

　　1 设计原理

　　平衡式宽频带低噪声放大器由两只低噪声器件和两个Lange耦合器组成，其中两支低噪声器件及其匹配电路网络完全一致，减小了匹配电路计算的复杂性，输入、输出驻波比好，噪声小，工作频带可达1~2倍频程。

　　2 Lange耦合器

　　Lange耦合器又称90°三分贝电桥，其结构示意图如图1所示，在宽频带和紧耦合特性上比其他耦合器有非常突出的优势。设计思路是利用几条耦合线彼此平行，使得线的两边都产生耦合从而实现紧耦合，并通过补偿相速达到改善带宽。常用的微波电路仿真软件几乎都建有典型模型，以便于辅助设计。

　　

　　3 设计原理

　　平衡式宽频带低噪声放大器原理图见图2,若输入射频信号fin的功率和相位分别为P和0°，经Lange耦合器等分为P1,P2两部分。P1相位为-90°，P2相位为-180°，分别由两只经过配对的低噪声器件放大。由于匹配电路一致，增益G相同，传输相移皆改变180°，放大后的两路信号分别为GP1,GP2,GP1相位为-270°，GP2相位为0°。两路信号再经耦合器合成后，在B4端口GP1,GP2大小相等，相位相差180°，没有功率输出；在B1端口GP1,GP2相位相同，两部分功率叠加输出fout,其大小为GP1+GP2=G（P1+P2）=GP.即在理想状态下，平衡式宽频带低噪声放大器的增益等于单只低噪声器件的增益。

　　

　　采用平衡式电路结构具有以下优点：

　　（1）由于每只低噪声器件只承担一半功率放大，则放大器输出功率1 dB压缩点将增大3 dB,相应动态范围也增大3 dB,三阶交调约改善6 dB.

　　（2）端口驻波比得到很大改善，现假设V1,V2的反射系数相等，射频信号fin由耦合器A1端口输入，等分成两部分由A2,A3端口输出，A2端口的反射功率再回到A1端口，总路径相移为-180°；A3端口的反射功率再回到A1端口，总路径相移为-360°，显然两部分反射功率大小相等，相位相反而抵消，因此在A1端口没有反射功率。另外，V1,V2的反射功率在A4端口相叠加，需要加50 Ω匹配负载RL进行吸收。通过耦合器的移相作用，理想情况下端口驻波比恒为1.

　　（3）提高了放大器工作的稳定性，放大器稳定性的判定条件如下：

　　

　　式中：△=S11S22-S12S21,K为稳定因子。当同时满足上面三个条件时，放大器稳定。可以证明平衡式放大器的稳定性判别系数K恒大于1.在图2中，A1端口和B1端口理论上是无反射的，不存在由于信号源或者负载的反射可能造成的自激振荡。尽管单只低噪声器件本身在低频段存在潜在不稳定性，然而只要匹配电路设计良好，A1端口和B1端口之间就是稳定的。这个特性在宽频带接收系统中很重要，特别在天线与放大器匹配时，效果将更加明显。

　　（4）平衡放大器噪声系数和单端放大器基本相同，但在设计匹配电路时，可以完全按照噪声匹配设计，以获得理想噪声匹配，不必兼顾驻波比。

　　在窄频带低噪声放大器中，直流偏压供电引入线的常用结构是λg/4高阻抗微带线，其终端采用扇形线或电容对高频短路，这种结构可用的工作频带不过40%~50%带宽。因此在宽频带低噪声放大器电路中，不可能再用这种形式的偏压引入线，可采用微带线中心跳线型式的偏压引入线，即把跳线焊接在微带中心轴线上，在理想状态下微带线中心正上方空间处没有电场分布。跳线外端焊点对微带边沿的距离至少要大于基片厚度，以保证焊接点在电场之外。由于跳线直径对电感量影响较弱，长度对电感量影响较大，需准确控制。跳线可适当离开基片表面，以减小地板对电感量的影响。另外还需考虑电源的低频滤波和级间低频去耦电容，去耦和旁路电路要足够大，以免出现低频振荡。微带电路中的隔直电容尽量采用高Q值、高稳定温度系数、无谐振及低损耗的宽频带表贴电容，如美国DLI公司C06系列产品。屏蔽盒体横向宽度应小于工作频率的半波长，以避免盒体内部空间产生波导传输效应。微带基片应保持良好接地，固定螺钉的数量要相对多一点，螺钉孔的孔壁金属化接地。调试时在盒体的上盖板内表面贴敷相应频段吸波材料，以减小空间耦合所引起的带内增益起伏。

　　宽频带低噪声放大器还需要进行电磁兼容设计，首先对进入屏蔽盒的电源线使用带馈通滤波器的穿芯电容进行滤波，减小通过电源线所带来的串扰问题；其次需要解决好放大器的端口匹配，确保集成到接收系统时能兼容工作；还需对盒体采取电磁屏蔽措施，减小因电磁辐射所带来的干扰问题。在研发阶段加强电磁兼容工作，有利于产品通过相应标准电磁兼容测试。

　　4 设计实例仿真

　　根据某任务研制要求，需要设计一个工作于L/S频段的低噪声放大器，主要技术指标包括：工作频率为1.2~2.5 GHz;P-1dB≥10 dBmW;增益G≥32 dB;噪声系数Nf≤1.1 dB;输入、输出驻波比不大于1.5.依据以往工程经验，选用两只NEC公司生产的NE42484A低噪声器件进行平衡式电路设计，此电路增益明显满足不了指标要求，需要增加高增益且噪声较低的带内匹配电路的放大器，如Stanford公司生产的SAN-386内匹配晶体管。根据多级放大器噪声计算公式：

　　

　　式中：F为两级放大器总的噪声系数，F1,F2分别为、二级的噪声系数，G1,G2分别为、二级的增益。通过该公式可以明显看出，级联后的噪声系数主要取决于级放大器的噪声系数，且级增益越大，后级对总噪声系数的贡献就越小。

　　两只NE42484A场效应管的S参数尽量选择一致，微带基片选用介电常数为9.2、厚度为1 mm的复合介质基板，利用ADS软件建立仿真电路拓扑结构，匹配电路的形式选择微带阻抗变换型匹配法，该匹配法在形式上相当于若干条微带线相互串联而成。根据NE42484A场效应管和SAN-386晶体管的S参数进行仿真优化设计，常用的优化方式分为随机优化和梯度优化，随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局域收敛。优化时可设定少量的可变参数，对放大器的各个指标分步骤进行优化，先用100~200步的随机法进行优化，后用20~30步的梯度法进行优化，一般可达结果。

　　仿真结果见图3.在1.2~2.5 GHz的工作频带内，输出功率1 dB压缩点在器件的选择时已经保证；带内增益在35~37 dB之间；噪声系数不大于0.8 dB;输入、输出驻波比均小于1.5.仿真分析结果表明，采取这种设计方案可以满足研制要求。通过仿真优化后的电路拓扑结构绘制微带电路板，注意要在匹配微带线加入隔离小岛，以方便调试时更改微带线的尺寸，获得更好的性能；在电路的四周大面积附铜，并留下较密集的金属化接地过孔，增强电路的接地性能，如图4所示。图中标有V1,V2处是待焊接的两只NE42484A场效应管，V3处是待焊接的SAN-386晶体管。

　　

　　在放大器的生产调试过程中发现有两个重要环节需要注意，一个是的加工工艺保证；另一个是供电偏置电感的调试。Lange耦合器的耦合线间需要粘结跳线，如图1所示，试验证明微带电路板镀金后采用金丝压焊工艺可以保证可靠性和，且耦合线问采用单根跳线或多根跳线性能指标基本不变，因此建议在实际使用时采用两根以上并行跳线以提高可靠性。如果工艺条件上无金丝焊接技术，还可以采用同样拓扑结构，选择厂家生产的Lange耦合器，例如Anaren公司的小型化表贴器件。供电偏置电感需要手工成形，调试时通过微调线圈间距来改变电感大小，实现电路的匹配，调试完成后采取硅橡胶加固，从而提高可靠性。

　　

　　在完成放大器的调试后对所要求的各项指标进行了实际测试，在1.2~2.5 GHz的工作频带内，增益在33~35 dB之间，比仿真结果小2 dB左右；噪声系数不大于1dB,比仿真结果偏大0.2dB左右；输入、输出驻波比跟仿真结果基本一致。因此该宽频带低噪声放大器各项指标均满足研制任务要求。

　　5 结语

　　采用Lange耦合器的宽频带特性设计平衡式宽频带低噪声放大器，可以获得理想的噪声匹配，不必兼顾驻波比，且放大器的可靠性和稳定性也比较好，并通过设计实例的仿真和测试结果对相应指标进行了验证。