一种K频段低噪声放大器的设计

卫少卿，寇 阳

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

在通信、遥测遥控、雷达、电子对抗和射电天文等领域，低噪声放大器已经是其电子系统中接收前端必不可少的重要组成部分。低噪声放大器的噪声系数指标在很大程度上决定了通信系统的灵敏度。在Ka频段的卫星通信系统中，卫通地面站的接收频率在20 GHz的K频段[1]，由于频率较高，电磁波传输的损耗、雨衰较大，这就对接收低噪声放大器的噪声系数提出了较高的要求[2]。

现阶段，工作在20 GHz的低噪声放大器若采用分立电路，其体积一般较大；若采用微波单片集成电路(MMIC)实现，其噪声系数较高。本文针对Ka频段卫星通信的相关要求设计了一种K频段低噪声放大器，该低噪放采用分立电路和MMIC的混合电路实现，同时分立电路级采用了级间失配的电路形式，同时兼具噪声系数低、体积小的优点。

1 总体设计

低噪声放大器一般采用分立电路或微波单片集成电路(MMIC)的方式来实现。分立电路能够实现足够低的噪声系数，但是增益低、晶体管输入输出匹配电路占用面积较大，难以实现电路的小型化；MMIC体积小、增益高，易于级联，但噪声系数较差[3]。本文为了获得更好的电气性能，尽可能地减小电路体积，则采用分立电路和MMIC的混合形式实现。

K频段低噪声放大器(LNA)组成框图如图1所示。

图1 低噪声放大器组成

考虑到卫星通信地面站的天线接口多为波导形式，本设计中的LNA采用波导输入、同轴输出的形式。该LNA包括波导—微带过渡单元、低噪声放大级电路和增益补偿放大级电路等3个部分。

波导—微带过渡单元通过同轴探针将波导传输的信号转换为微带线传输，该单元置于LNA前端，其插入损耗直接反映在噪声系数上，所以设计时要求其插损尽可能低；低噪声放大级电路是LNA的第一级放大级，其噪声决定了整个LNA的噪声系数，因此采用分立电路形式，尽可能降低电路噪声；增益补偿级采用单片MMIC实现，在较小的体积内为整个LNA提供足够的增益；有源偏置电路可以为低噪放提供恒定电压、电流的偏置，在高低温环境下可减小LNA直流工作点的变化。

2 设计实现

2.1 波导—微带过渡单元

波导—微带过渡单元是LNA的重要组成部分，对设备的噪声系数和输入电压驻波比起重要作用，对波导—微带过渡的要求如下：

① 该LNA作为室外设备工作，波导—微带过渡必须考虑水密性设计；

② 插入损耗和电压驻波比要低，而且应有足够的频带宽度；

③ 具有良好的一致性和可生产性。

目前，实现波导—微带过渡单元主要结构有波导—脊波导—微带线过渡、波导—对脊鳍线—微带线过渡和波导—探针—微带线过渡等形式。脊波导是一种简单且具有良好过渡特性的结构，但需要精确的机械加工，体积也较大；鳍线过渡加工和安装方便，但插入损耗大、体积较大、结构复杂，且会产生谐振效应，不易实现宽带过渡。

基于电场耦合的波导—微带过渡是目前K波段使用最为广泛的一种过渡形式。它将同轴探针通过波导E面开孔插入波导腔中，把波导中的电场耦合至微带线，具有插入损耗低、驻波小、工作频带宽、容差大且结构紧凑的特点。同时同轴结构具有一定的密封性，采用这种结构设计屏蔽盒，可以不破坏腔体结构的完整性，达到水密的要求[4]，本文中LNA的输入端即采用这种形式设计。

在波导—微带线过渡结构中，同轴探针中心距离矩形波导短路面的长度为1/4波长，该位置为波导内电场最强点，将探针置于该处，可使得过渡损耗最低。同时，为了扩展工作带宽，需要在探针底端进行加载，但是探针顶与微带线焊接的焊盘以及探针底端加载的金属圆柱使整个探针的特征阻抗呈容性，为了抵消这一特性，在同轴探针中增加一段呈感性的收窄介质腔，介质采用低介电常数的聚四氟乙烯材料，通过该设计使整个波导—微带过渡单元与微带线实现阻抗匹配。

采用HFSS软件对该过渡结构进行三维建模，其结构如图2所示。

图2 波导—微带过渡单元模型

对该模型进行S参数仿真，其仿真结果如图3所示。

图3 波导—微带过渡单元仿真结果

由仿真结果可见，在17～22 GHz频带范围内，波导—微带过渡单元的插入损耗小于0.07 dB，回波损耗小于-21 dB，该设计性能指标良好，达到了设计预期。

2.2 低噪声放大级电路设计

噪声系数是LNA最重要的指标之一，噪声系数越低LNA的性能越好。由于K频段的MMIC单片噪声系数较高，为设计出噪声指标良好的LNA，低噪声放大级电路需采用分立电路实现。

2.2.1 晶体管及介质基片选择

首先，确定所用的低噪管。由于半导体材料特性的限制，硅器件通常用于频率较低的场合，在20 GHz频段无法提供良好的噪声系数。N型砷化镓(GaAs)基HJ-FET晶体管内部载流子的漂移速度通常比其扩散速度高许多倍，且电子的迁移率比硅器件要高，这就使得GaAs HJ-FET适用的工作频率较高，且在高频工作时，该晶体管的噪声较低[5]。

基于上述原因，选用了NEC公司生产的NE350184C晶体管作为低噪放前级的放大器件。

同样由于K波段频率较高，其信号传输损耗较大，为了降低信号的传输损耗，选用的印制板介质基片要求损耗小、表面光洁度高、硬度高。常用于该频段的介质基片材质主要有：氧化铝陶瓷、Rogers RT/duroid 5880基板、蓝宝石和石英等。由于低噪放需要采用微带电路实现阻抗匹配，采用低介电常数的板材，可以在一定程度上增大微带图形尺寸，从而降低了微带线对加工公差的要求，提高成品率。同时，基板介质均匀性越高，微带电路的一致性越好。

本文中选用了Rogers公司生产的RT/duroid 5880介质基板。它具有较低的损耗及介电常数，以及相对较高的介质均匀性，是较为理想的介质板材。

2.2.2 最小化噪声原则设计低噪放电路

低噪声放大器一般由多级放大器组成，其噪声级联公式为[6]：

(1)

由式(1)可以看出，低噪放的噪声系数主要由第1级放大器决定[7]，传统的LNA也是在第1级采用最小噪声匹配，在后级均采用共轭匹配来获得更高的增益[8]。

但是在20 GHz频段，NE350184C晶体管仅能够提供10 dB左右的增益，单级增益较低。在这种情况下，后级的噪声系数对第1级的影响则不可忽略。为了使LNA整机的噪声系数尽可能低，采用2级晶体管共同组成低噪声放大级电路，2级晶体管均侧重最佳噪声匹配，其拓扑结构图如图4所示。

图4 低噪声放大级拓扑结构

图4中，FET1和FET2为NE350184C晶体管，N1为输入端口的匹配电路，采用最小噪声匹配，即输入阻抗等于低噪声最佳源阻抗。第2级FET2输出匹配电路N3是共轭匹配以获得高增益以及较好的输出驻波。而N2并不是传统意义上的50 Ω阻抗匹配电路，而是采用非匹配阻抗变换电路令2级FET处于级间失配状态。处于级间失配状态下的2级晶体管会互相影响工作状态，通过调节N2，第2级晶体管会对第1级晶体管产生负载牵引效应。

通过仿真软件对N1、N2和N3进行同步优化，即可使FET1和FET2均工作在最小噪声状态，且N2电路面积可实现最小化，以降低级间损耗。根据上述原则在ADS软件中搭建仿真模型并优化[9]，仿真结果如图5所示。

图5 低噪声放大级仿真结果

由仿真结果可以看出，该LNA在18.5～21.5 GHz频段内，S11<-15 dB，S22<-18 dB，增益S21>22.5 dB，且在该频带内的噪声系数小于0.95 dB。

2.3 低噪放整体级联仿真

波导—微带过渡单元及低噪声放大前级的设计已完成。根据整体设计方案，还需在其后端增加一级增益补偿放大级电路。为了使LNA整体体积最小化[10]，后级放大器采用MMIC低噪声放大芯片[11]，在此频段内HMC517LC4芯片的噪声系数为2.5 dB，并可提供19.5 dB的增益[12]。采用该芯片与前级仿真设计结果进行级联仿真，级联仿真结果如图6所示。

图6 低噪放级联仿真结果

由图6的联合仿真结果可以看出，整个LNA的设计噪声系数为1.04 dB，增益为41.9 dB。从仿真结果可看出，该LNA有着较低的噪声系数，符合最小化噪声的设计初衷。

3 实测结果分析

研制的K频段低噪声放大器实物照片如图7所示。

图7 低噪声放大器实物

采用矢量网络分析仪以及噪声系数分析仪测试该LNA的S参数及噪声系数，测试结果如图8和图9所示。

图8 低噪放S参数测试结果

图9 低噪放噪声系数测试结果

由测试结果可以看出，该LNA在18.5～21.5 GHz频段内，S21为40.0 dB±1.5 dB，S11、S22均小于-13 dB(换算VSWR≤1.5∶1)。同时，该LNA的噪声系数小于1.2 dB。现阶段工程应用的该频段LNA其噪声系数一般为1.6 dB[13]，设计在噪声系数指标上有显著优势。

4 结束语

本文设计了一种K频段低噪声放大器。该低噪放采用了波导接口输入，同轴接口输出的形式，包含了波导—微带过渡单元、级间失配的低噪声放大单元以及MMIC形式的增益补偿放大单元3部分。LNA实测结果与仿真结果对应良好，并且噪声系数较低。由此可验证，采用含空气过渡腔的底端加载探针构成的波导—微带过渡单元比无过渡空气腔的探针具有更低的插损[14]，采用级间失配形式的低噪声放大器其噪声系数明显低于传统的级间匹配形式[15]。同时，该LNA设计具备结构一体性，利于室外防水设计，具备较高的工程应用价值。

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