X波段低噪声放大器的设计

王红梅，任 缅

（中国电子科技集团公司第五十五研究所 江苏 南京 210016）

随着移动通信的不断发展，低噪声放大器已广泛应用于电子接收及雷达系统中。由于其对整个接收系统的接收灵敏度和噪声性能起着决定性作用，加之近年来高电子迁移率新型晶体管生产的日臻成熟，由该类HEMT晶体管制作的多级低噪声放大器显示出了优越的性能。

1 基本原理

放大器的主要指标有：稳定性、噪声系数（信噪比下降的倍数）、增益、驻波系数（表征输入输出匹配情况）。与增益相关的有匹配及稳定系数K。K必须大于1，S11和S22的模必须小于1，才能保证电路的稳定性[1]。对所有微波放大器而言，其设计主要包括稳定性设计、直流偏置设计、输入、输出匹配设计。

低噪声放大器的性能包含低的噪声系数，合理的增益和稳定性 （指整个工作频率范围内不会振荡）。低噪声放大器一般都是按最佳噪声匹配设计，噪声最佳匹配点并非最大增益点，所以增益比最佳功率匹配（即共轭匹配）时低约2～4 dB。共轭匹配时，信号反射最小，所以输出功率最大。但有时也有为了降低驻波比VSWR，以牺牲一点点噪声系数为代价的。根据具体指标要求，电路的设计思路也略有不同。

2 电路设计及仿真

这里我们制作了一种X波段低噪声放大器，主要是从以下几方面进行考虑。

2.1 器件和模型的选择

放大器的核心器件是晶体管。晶体管选择的考虑因素主要有管子的性能、指标、工作条件及价格等等，这里因为增益、噪声要求较高，所以选用了高电子迁移率的HEMT管子，其低噪声性能比GaAs FET管更优越，加上HEMT管已商业化，现已广泛应用于低噪声领域。此外，选择较小Rn（等效噪声电阻）的晶体管较易获得较低的噪声系数，同时得到小的输入驻波比[2]，Eudyna公司的 FHX76LP在 Vds=2 V，Ids=10 mA的偏置下，Rn仅有 4 Ω；而 FHX35LG 在 Vds=3 V，Ids=10 mA 的偏置下，Rn也仅为 6 Ω。

2.2 稳定性的设计

稳定性设计考虑的主要是抑制放大器的自激振荡。我们已知放大器电路绝对稳定的充分必要条件如下：

首先我们将晶体管的S2P文件导入AWR仿真环境，如图1所示。

图1 晶体管仿真Fig.1 Simulation of transistor

从仿真结果，如图2所示，可以看出在9～11G Hz，K＜1时，是潜在不稳定的。对于潜在不稳定的管子是不能达到共轭匹配的，因为共轭匹配点就是自激振荡点，故设计时要使输入、输出电路呈现一定程度的失配[3]。若引入有耗元件，如阻性负反馈法，稳定性虽可得到改善，但同时噪声系数要相应增大[4]，因K接近1，在不增加有耗元件的前提下，可通过输入、输出匹配来改善其稳定特性，这里只仿真了FHX76LP的情况，FHX35LG用同样方式仿真发现也属于条件稳定，必须有匹配电路。

图2 稳定系数K Fig.2 Stability factor K

2.3 电路形式的选择及偏置电路的设计

因为放大器的增益指标较高，一般单管的增益小于15 dB，所以电路采用了两级放大器级联来实现。电原理图如图3所示。

偏置电路主要是给管子提供一直流工作点，它影响到放大器的噪声系数和增益特性。对场效应管，IDSS越大，增益越高，但噪声越差，这里选用的了Eudyna公司的FHX76LP、FHX35LG，单电源供电，都是栅极接地，静态工作点分别为Vds=2 V，Ids=10 mA和Vds=3 V，Ids=10 mA，这样可获得噪声系数和增益特性的最佳平衡。这里直流馈电采用了λ/4高阻线，其终端用扇形线对高频短路（具体仿真见2.4节），通过电阻分压对漏极、源级供电。同时电源进来加了滤波电容，每个管子的偏置也增加了电容去耦，这样可避免电源噪声和偏置电阻热噪声给器件的噪声性能带来影响。

图3 电原理图Fig.3 Circiut diagram

2.4 匹配电路优化仿真

匹配电路设计时要兼顾较高的增益和较低的噪声系数，放大器第一级按最佳噪声设计，后级则采用使增益最大的共轭匹配设计[5]，对于级间匹配，因需进一步调试优化，所以第一级放大器的S22不能太差，至少要小于-10 dB，否则两级合并时会严重影响输入、输出驻波。此外，选择合适的拓扑结构对低噪放也至关重要！在较高频率的波段，元件尺寸将于波长相当，此时可用分布参数的元件来实现负载与传输线的匹配。本例采用并联导纳拓扑结构，即利用串联微带传输线进行导纳变换，然后并联一个微带分支线，微带线终端开路（或短路），用其输入导纳作为补偿导纳，以达到电路匹配。仿真时先设置优化目标，再通过Random（随机法）和Gradient（梯度法）来找到理想结果。在优值设计中，选择的匹配电路注意要有较大的容差，使之适应工艺参数的调整。图5～图7分别是仿真电路拓扑及各参数的仿真结果。

图4 增益Fig.4 Gain

2.5 试验结果

通过以上的分析及仿真，我们采用Eudyna公司的FHX76LP和FHX35LG级联在εr=2.6，h=0.5 mm厚的聚四氟乙烯板上制作的X波段低噪声放大器，经过调试，取得了以下指标：在频带内增益大于22 dB，噪声系数小于1.5 dB，输入输出驻波比小于1.7。

图5 输入、输出驻波Fig.5 Input and output VSWR

图6 稳定系数KFig.6 Stability factor K

图7 噪声系数Fig.7 Noise figure

3 结 论

从上面试验结果发现，除噪声外，其余指标与仿真结果出入不大，究其原因有以下几点：1）因为是单电源供电，两只放大管的源级都是通过一个几十pF的陶瓷电容接地，该陶瓷电容单独测试时其特性曲线并不好，故而对电路造成较大影响；2）因为前面已经说过低噪声放大器尤其前级是按照最佳噪声匹配的，驻波并不是最好的，这也对整体噪声造成一定影响。解决措施有：单电源可以改成双电源供电（即漏极正电压和栅极负电压分别由正压和负压两个电源供电），这时源级直接接地，虽然等效压差与单电源相同，但在射频微波电路中，接地良好对指标的影响很大，所以源级直接就近接地，受外界的微扰减小[6]；3）在空间结构许可的情况下，放大器的输入、输出可以级联隔离器，但要注意选用带宽要宽、驻波要小的隔离器，这样可以极大改善驻波，也间接改善了噪声[7]；当设计更高频率的放大器时，注意腔体尺寸的变化，不能过大，并且可以粘贴相应频率的吸收材料，最好同时将驱动电路放在微波基板背面，通过开孔或穿芯电容引入馈电，同时在PCB布板中要考虑到邻近相关电路的影响，注意滤波、接地和外电路干扰问题设计中要满足电磁兼容设计原则，以提高产品电特性。

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