高性能宽带低噪声放大器设计

分享到:

0 引言
在雷达射频接收系统中,对系统性能指标的要求越来越高,其中低噪声放大器是影响着整个接收系统的噪声指标的重要因素。与普通的放大器相比,低噪声放大器作用比较突出,一方面可以减少系统的杂波干扰,提高系统的灵敏度;另一方面可以放大系统的射频信号,保证系统正常工作。因此,低噪声放大器的性能制约着整个接收系统的性能,对整个接收系统性能的提高起了决定性的作用。因此,研制宽频带、高性能、更低噪声的放大器,已经成为微波技术中发展的核心之一。
本文介绍的新型宽带低噪声放大器就是在当前工程技术发展需求的前提下,从放大器本身的特性出发,采用薄膜混合集成电路和先进的共晶微组装工艺,应用平衡式放大电路,精心研制而成的。

1 电路设计
1.1 电路原理
设计要求整个低噪声放大器的噪声系数小于2 dB,增益在32 dB以上,根据单片放大器目前的增益,需要设计三级放大链路,设计框图如图1所示。


要达到这种要求,输入匹配网络设计时必须按最小噪声系数匹配。实际上要得到最小噪声,输入网络往往都是失配的。但是由于指标要求驻波比要小于2,因此,输入网络首先要兼顾端口驻波比。对于级间匹配一,既要保证噪声要低,后级对前级的噪声贡献要低,又要保证较高的增益,其次还要兼顾两级放大器管芯间驻波比情况。对于级间匹配二,则要求保持较高的增益以及合理的增益平坦度。对于输出匹配网络,除了要保证输出功率外,还要保证整个带内的增益平坦度,以及良好的输出驻波比。
1.2 偏置电路形式
本文采用共源极接法,自偏置电路形式,单电源供电,其结构如图2所示。此处偏置网络是一个电阻电源。其优点是能够提供自动瞬时保护功能,而且,单电源供电方便。但是,电阻电源同时也会使噪声性能恶化,而且电源的旁路电容会产生低频振荡,因此,在匹配直流电路时,需要优化设计采用合适的偏置电阻,使噪声性能恶化最小。


1.3 平衡电桥设计
1.3.1 耦合器设计原理
由于采用了平衡式电路,所以,首先需要设计3 dB定向耦合器。在此选用交指线耦合器。交指线耦合器是一种多导体耦合器,其优点是:体积小;与双耦合线器件比较,它的线间距离较大,容易实现;与分支线耦合比较,它带宽宽。关于这种3 dB交指线耦合器在目前尚没有精确的设计方法。一般情况下,其耦合度按以下的三个设计方程来计算,电路的作用就是完成这种阻抗转换的。

根据以上的方程,只要知道了Zoo和Zoe,查表便可以求出物理尺寸之比,再经过仿真进行优化设计。

1.3.2 平衡电桥仿真
采用精细陶瓷基片,其介电常数为εr=9.8。利用ADS软件进行仿真如图3所示,仿真结果如图4所示。


1.4 系统仿真设计
1.4.1 稳定性设计和宽带设计
由于采用平衡电路,因此,输入、输出驻波比可以放在最后整体仿真时考虑。仿真时,重点考虑稳定性、噪声系数、增益和增益平坦度。
首先,进行稳定性设计。根据绝对稳定的充分必要条件:K>1和|△|<1。


根据其S参数(见表1),计算可得,在4~8 GHz的带宽内,0<K<1,|△|<1,潜在不稳定。在电路中加入平衡电桥做仿真显示,电路中的K>1,此时,整个电路将变成绝对稳定。因此,采用电桥将使得整个电路的稳定性设计变得简单。

再次,需要对放大器进行宽带内的设计。从本质上讲,宽带低噪声放大器的设计就是要求在一个相对较宽的频率范围内,保持放大器的增益不变。为此,应适当地设计匹配网络或者反馈网络,在保持最佳噪声系数的情况下补偿|S21|随频率的变化。一般来讲,设计宽带低噪声放大器有两种通用技术:补偿匹配网络及运用负反馈电路。在平衡电路中,噪声通常是按最佳噪声来设计的。但是,由于按最佳噪声设计往往以牺牲增益为前提,而如果按最大增益设计,往往噪声性能又将恶化。所以,为了二者兼顾,折衷考虑。按最佳噪声设计出的放大器带宽往往是很窄的,所以在做宽带匹配电路时,输入、输出端往往是失配的。本文的设计思路是:采用补偿匹配网络与负反馈电路相结合的技术,利用平衡电桥来获得最佳输入和输出VSWR;利用负反馈来补偿随频率变化的|S21|,提高系统的稳定性。二者结合最终达到所需要的设计目标。
最后,将对上述的低噪声晶体管,利用ADS进行仿真设计成一个单片,并保证良好的输入/输出比、低的噪声系数、高的增益,并把设计好的单片作为放大器的第一级。在这个前提下,再进行级联,而且,级联的第二级也需要保证设计的噪声系数小。由于总增益在32 dB以上,根据晶体管的S参数,两级增益达不到要求,因此,需要三级级联。最后一级,要有高的增益特性和良好的线性度。这样,放大器的增益特性、噪声特性、输入/输出特性,功率特性等都可以保证实现。
1.4.2 整体仿真
采用精细陶瓷基片,介电常数εr=9.8。选取富士通FHX系列,利用ADS进行仿真,电路原理图如图5所示。


三级级联后,仿真结果如图6所示。


根据指标要求,整个电路的噪声小于1.6 dB,输入输出驻波比小于1.7,增益在35~37.1 dB之间。设计满足指标要求。

2 装配和测试结果
2.1 装配和调试
各单片加工完成之后,采用共晶工艺进行焊接,并利用导电胶将芯片粘接在底部基片上。共晶工艺具有机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高等一系列的优点,是目前国际上比较先进的工艺。导电胶粘接技术工艺性好、固化容易、固化物致密、粘接力强。由于其耐热
性有限,因此导电胶的固化温度和固化时间的长短对粘接强度影响较大。一般采用合适的温度和时间来固化达到较理想的效果。

设计完成后,对带内平坦度进行调试。通过在电路中敏感部位改变容性和感性的大小来调节平坦度,使其满足指标,如图7所示。


2.2 测试结果
噪声系数测试结果见表2。


增益和驻波比测试结果如图8所示。


1dB压缩点测试,结果见表3。


测试结果表明,实验值与理论设计值吻合得较好,表明这种设计方法可取。

3 结论
C波段宽带低噪声放大器设计在国内外已有一些研究,但是该满足宽带高性能指标要求的工程设计案例还不多。该设计的宽带低噪声放大器的噪声系数、增益、增益平坦度、输入输出驻波比以及1 dB压缩点的功率均达到和超过指标要求,并且该放大器在整个C波段表现性能优良。因此,在雷达和电子对抗等工程领域可以得到广泛应用。另外,在C波段宽带低噪声放大器的小型化和集成化设计上还需进一步探索。

继续阅读
5G重新定义但不取代宽带

2019年6月6日,中国移动、中国联通、中国电信以及中国广电同时获得工业和信息化部颁发的5G业务经营许可,2019年因此成为中国5G元年。从7月底开始,多款5G手机陆续发布和开售,价格最低的不到4000元,最高的超过8000元。新京报记者从运营商内部人士处获悉,5G正式商用套餐或将于9月底推出。

爱立信:5G更多的是需要由应用来驱动

在近日于乌镇举行的第五届世界互联网大会“5G时代:开放合作 共创未来”论坛上,爱立信东北亚区副总裁兼数字服务事业群总经理申宁山博士(Dr.Sinisa Krajnovic)表示,未来5G行业将更多是由应用而非技术来驱动。

Qorvo QPA3250 荣获BTR“顶级产品”奖

Qorvo宣布QPA3250在《宽带技术报告 (BTR) 》的2018年度“钻石科技评选”中以高分荣获有源网络硬件类别的“顶级产品”奖。Qorvo的QPA3250是业内首款针对数字预失真 (DPD) 进行优化的混合式功率倍增器放大器模块,可部署在深度光纤电缆设备节点。相比传统型节点部署,距离用户端更近,使有线宽带服务运营商大幅节省能耗。

Ku波段射频高速通信系统设计与实现

当今的信息大爆炸时代,媒质承载的信息量越来越大,特别是高清多媒体视频流,对信息传输的实时性要求越来越高,这些需求促使信息传输速率逐步攀升,现阶段无线通信技术蓬勃发展,LTE、5G技术接踵而至。由香农定理我们可知,无线通信的速率与信道带宽相互关联,带宽越宽,速率就越高,容量也就越大。而在VHF、UHF、L、S等较低频段,频谱资源拥挤,可用带宽有限,因此向更高的频段发展,以获得更宽的信道带宽,是未来通信系统发展的必然趋势。

三大运营商初试千兆宽带,效果显著

如今百兆宽带已经很普及,随着提速降费的持续推进,以及运营商在固网宽带市场的竞争激烈,千兆宽带也渐渐走进我们的生活。