S波段宽带低噪声放大器的设计

黄 雷，张晓发，袁乃昌

（国防科学技术大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙410073）

S波段宽带低噪声放大器的设计

黄 雷，张晓发，袁乃昌

（国防科学技术大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙410073）

微波宽带低噪声放大器是雷达、电子对抗、微波通信及遥测遥控等接收系统的关键部件。为满足高性能微波接收机系统对微波低噪声放大器宽频带、低噪声系数、高增益和好平坦度等方面的要求。本文利用Infineon公司的BFP740FESD型双极晶体管，采用纯电抗宽带匹配技术，设计了一个2～4 GHz宽带低噪声放大器（LNA）。经过实际测试，该放大器在2～4 GHz频带内，功率增益大于30 dB，噪声系数小于1.8 dB，增益平坦度小于3 dB，输入输出驻波比小于2，输出饱和功率大于5 dBm，且工作绝对稳定。

低噪声放大器；宽带匹配；噪声系数；S波段

随着现代无线通信技术的快速发展，对于射频接收机的要求越来越高。低噪声放大器作为射频前端的重要组成部分，它的增益决定了对后级电路噪声的抑制程度，它的噪声系数决定了接收机的灵敏度，它的工作频带决定了接收系统的工作带宽[14]。如何在保证低噪声系数和高增益的前提下，尽量拓宽放大器的工作频带，已成为低噪声放大器研制中的一个难点。这是因为微波晶体管的功率增益会随着工作频率的升高而降低，一般是每倍频程降低6 dB。为了实现宽带放大，就必须对增益的滚降特性进行补偿，使低频段增益降低[10]。不过，宽频带内低频段增益的降低必然使驻波比变坏，同时噪声性能也受到影响。此外，微波管输入阻抗也随频率有很大变化，这将增加宽频带匹配电路的复杂性和设计难度。

1 理论电路分析

1.1 有耗匹配电路

常用的宽频带放大器的电路结构大体上有以下5种：平衡式放大器、反馈式放大器、有耗匹配式放大器、有源匹配式放大器[15]。其中有耗匹配电路结构简单，外围器件少，引入的寄生参量低，被广泛应用在宽带放大器的设计之中。

有耗匹配电路是一种可在多倍频程范围内补偿固定的增益滚降，从而获得平坦增益的电路匹配方式。其具体电路如图1所示。

图1 有耗匹配原理图

电路中，输入端和输出端用电阻器件和高特征阻抗的短截线相连。在频率低端，并联线的电长度很短，致使晶体管端接电阻，降低其增益。在频率高端，短截线有较高电抗（当短截线长度为1/4波长时，其值趋于无穷大），电阻对于晶体管的影响很小。因此，匹配网络不是借助于失配，而是通过引入一个正斜率的增益线以补偿晶体管的增益滚降。有耗匹配放大器具有平坦的增益，良好的输入输出匹配和简单的结构等优势[5]。

1.2 稳定性分析

稳定性是指在工作环境（温度、信号频率、源以及负载阻抗等）变化的情况下，放大器依然能保持正常工作的能力。对于一个不稳定的放大器而言，一些不可避免的寄生因素或是放大器直流参数的任何细小变化都会引起它在某频率上产生强烈的自激振荡，其典型的表现就是在无输入功率时有功率输出。这样的情况下，放大器是不能正常的工作的，因此在设计低噪声放大器时，必须使其绝对稳定工作。一个微波射频管绝对稳定条件是[5]：

其中，D=S11S22-S12S21。K为稳定性判别系数，K＞1是稳定状态。只有当3个条件都满足时，才能保证放大器时绝对稳定的。

2 电路设计

2.1 器件选型

有源微波固态电路的整体性能主要由所选择器件的基本性能参数所决定。故选择一款符合设计要求且性能优异的微波低噪声放大管，已成为设计优良电路的基本前提。英飞凌科技公司（Infineon）是世界知名的半导体设计企业、制造商和供应商。其生产的三极管性能优异，稳定性高。此电路所使用的三极管BFP740FESD，是一款低噪声宽带两极NPN型射频晶体管，在无线通信中被广泛使用。在S频段内，它的噪声系数最低为0.7 dB，最大增益为20 dB，性能优异可靠。而且它的成本非常低，体积也很小，技术成熟。综合以上优点和特征，选用这款三极管进行电路设计。

2.2 宽带匹配电路结构设计

有耗匹配结构放大器是通过对增益高的低频段增加电阻性损耗，来改善放大器的增益平坦度，增大工作带宽，提高器件的稳定性[2]。但是，由于电阻性元件的引入，会降低晶体管的输出功率，增加放大器的噪声系数和驻波系数[12]（VSWR）。为了解决此问题，就必须优化有耗匹配的电路结构，将电阻性元件去除，利用微带线对射频信号的损耗来代替电阻，在晶体管的输入/输出端使用纯电抗（电容、电感和微带线）匹配网络[3]。这样可以提供适中的带宽、优良的噪声性能和功率性能。具体原理如图2所示。

图2 带有增益补偿网络的两级放大器原理图

在本低噪声放大器中，采用两级晶体管级联来提高增益[11]，输入匹配网络是按最佳噪声系数来设计的，级间匹配是按平稳增益来设计的，输出匹配是按最大的输出功率来设计的，同时输入匹配网络和级间匹配网络在工作频段的高端用最小的损耗来进行增益补偿[4]。

2.3 电路稳定性设计

对于S波段的低噪声放大器，由于低频增益较高，很容易产生自激。为了保证放大器在全频带内绝对稳定工作，就要采取相应的措施，使其稳定系数满足k＞1。在本设计中，采用发射极串联负反馈电感的形式提高放大器的稳定性，因为发射极负反馈可以有效降低低频增益和提高低频驻波性能，而且不会恶化噪声。由于反馈电感太小，实际的分立电感很难做到。且实际分立电感本身的误差和寄生参数对电路的影响很大，故利用接地微带线的电感效应来代替[13]。其等效公式如式2所示[1]：

式中，l是微带线的长度（单位inch）；L是电感值（nH）；Z0是微带线的特征阻抗。

反馈电感的反馈量主要由微带线的长度决定，如果反馈量过小对稳定性改善不大，如果反馈量过大则会引起高频的不稳定。

2.4 电路仿真设计和制作

利用ADS软件完成宽带低噪声放大器的仿真设计与优化[6]，并制作电路如图3所示。

图3 低噪声放大器硬件电路

3 实物测试及分析

3.1 S参数测试

利用Agilent N5230C矢量网络分析仪对低噪声放大器进行S参数测试，在输入功率为-30 dBm时S参数的测量结果如图4所示[8]。

图4 S参数曲线

测试结果显示，该低噪声放大器在S频段内，增益G分布在30～33 dB之间，输入反射系数S11＜-9.5 dB（驻波系数 VSWR＜2），输出反射系数 S22＜-15 dB。

3.2 线性特性测试

利用Agilent N5230C矢量网络分析仪和固定功率衰减器改变输入功率，观察曲线S21的变化，通过计算可间接得到低噪声放大器的输出功率。记录测试数据并处理，得到结果如图5和图6所示[7]。

图5 3GHz处放大器功率压缩曲线

图6 1dB压缩点随频率变化曲线

由测试结果可知当放大器工作在线性区域时，所有输入信号会得到基本相同的功率增益。但随着输入信号功率的不断增加，放大器的增益会逐渐下降直到饱和。加上测试电缆的损耗可得此放大器在S波段的饱和输出功率在5 dBm以上。

3.3 噪声系数测试

利用R&S公司的频谱仪和Agilent公司型号为346C的噪声源对设计的低噪放进行噪声系数测试，结果如图7所示。

图7 噪声系数随频率变化曲线

由测试结果可知，此低噪声放大器在S频段的噪声系数在1.8 dB以下，而且大部分频段的噪声系数都比较小（1.5 dB以下），噪声性能优良。

4 结论

微波晶体管放大器具有宽频带、稳定性好、噪声性能好、动态范围大等优点。频率小于4 GHz时一般用双极晶体管，而频率高于4 GHz时双极晶体管就不再适合[9]，因为其增益随频率的增加而迅速降低，而噪声系数随频率的增加而迅速增加，此时一般用微波场效应晶体管。利用改进型的有耗匹配电路（电抗性匹配）技术，可以在拓宽放大器工作带宽的同时提供优良的噪声性能和功率性能。本论文使用双极晶体管，并经过改进的有耗匹配电路设计成的低噪声放大器，具有高增益、低噪声、宽带宽、高稳定性等优点。可以在S频段的射频接收机前端中使用。如果能够改善工艺，实现它的小型化，它将会有更广阔的应用前景。

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Design of broadband low noise amplifier in S-Band

HUANG Lei， ZHANG Xiao-fa， YUAN Nai-chang
（College of Electronics Science and Engineering， National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Microwave broadband low noise amplifier plays an important role in the receiver system of radar， electron countermeasures， microwave communication，remote measuring and remote control， and so on.A high performance microwave receiver system have a higher request for low noise amplifier featuring broadband， low noise figure， high gain， and flat response.In order to meet the requirements a 2～4GHzbroadband low noise amplifier（LNA） was designed with pure reactance broadband matching technology by using the Infineon's BFP740FESD bipolar transistor.Test result of LNA shown thatoverall frequency of 2～4 GHzgain is largerthan 30 dB， noise figure is less than 1.8 dB，gain flatnessis less than 3 dB， input and output SWRs are less than 2.To characterize linearity，output saturation power is greater than 5dBm and the amplifier has a stable performance.

low noise amplifier； broadband impedance matching； noise figure； S band

TN722

：A

：1674－6236（2017）15-0158-04

2016-06-06稿件编号：201606045

黄 雷（1990—），男，河北石家庄人，硕士研究生。研究方向：微波固态电路。