P波段限幅低噪声放大器设计

王余国 戚贺 范小龙 程冰

摘 要：设计了一款平衡式、大功率限幅低噪声放大器。利用准有源结构设计限幅器，提高了PIN限幅二极管的限幅能力。加工实测结果表明，在400～600MHz，此限幅放大器噪声系数小于1.7dB，增益为27±0.2dB，能够承受800W（3ms脉宽，33%占空比）的脉冲功率信号。

关键词：限幅器；低噪声放大器；准有源；PIN二极管

中图分类号：TN722.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0039-02

低噪声放大器（简称低噪放）是无线电接收机的关键组件，其性能对接收机灵敏度有重要影响。由于低噪放易受大功率信号损坏，因此在低噪放前端通常级联限幅器[1，2，3]。将限幅器与低噪放一体化设计，可以获得更低的噪声系数、更紧凑的尺寸和更高可靠性，这种一体化设计已经广泛用于相控阵雷达。

本文用混合电路工艺，设计了一款平衡式限幅低噪声放大器。测试结果表明：在400～600MHz，能够承受800W（3ms脉宽，33%占空比）的脉冲信号，噪声系数小于1.7dB，增益为27±0.2dB。

1 设计原理

本文设计的限幅低噪声放大器如图1所示，由输入端90°3dB耦合器、功率负载电阻、限幅器、低噪声放大器和输出端90°3dB耦合器组成[4]。

当输入射频信号功率小于限幅器限幅门限，限幅放大器对输入射频信号线性放大。此时输入信号经过输入端3dB耦合器分成两路等幅正交信号输出，耦合器隔离端口的功率负载上没有信号。两路等幅正交信号经过限幅器、LNA在输出端3dB耦合器合成输出。当输入大功率信号时，耦合器的两路正交信号被限幅器反射，反射信号在输入端3dB耦合器的隔离端口合成，并施加在功率负载上[5]。两路正交反射信号在3dB耦合器的输入端口相消，因此3dB耦合器的输入端口将一直保持良好的驻波比。

2 电路设计

输入端3dB耦合器采用Anaren公司3dB耦合器，在400～800MHz插入损耗小于0.15dB，可承受300W连续波，能够满足此限幅低噪放的耐功率要求。

功率负载电阻选用具有优异导热性能氧化铍（BeO）基板制作的大功率薄膜电阻。

2.1 限幅器设计

限幅器原理图如图2所示，由两级构成。第一级为大功率限幅器，采用了半有源式结构。这种结构的特点是大功率PIN限幅二级管的前级加入了耦合检波器。大功率射频信号经过耦合器输出一个小功率信号，经过检波管检波及RC滤波，为后级的大功率PIN限幅二极管提供直流偏置。这种半有源式限幅结构比单独PIN管构成的限幅器具有更大的功率容量。第二级使用了单片式限幅器，将第一级大功率限幅器的输出信号再次限幅，以满足后级LNA输入功率限制。

第一级限幅器的PIN管选用了Skyworks CLA4607，9只并联。第二级限幅单片使用AWE4191。限幅器的版图设计在HFSS中进行，利用HFSS附带的bond wire建模功能，可以精确仿真键合金丝带来的寄生效应。设计好的限幅器版图如图3所示。电路基板采用氧化铝材质，厚度0.635mm。PIN限幅管通过焊料烧结在金属载体上，再用金丝将阳极与电路连接。隔直电容、检波二极管均采用芯片式元件，用导电胶贴装在电路上，再用金丝键合连接。设计版图时预留了金丝跳线岛，以方便在调试时可以通过金丝跳线调节第一级限幅器及第二级限幅器之间的电感，选择合适的金丝跳线长度，可以降低第一级限幅器PIN管结电容带来的插损。

2.2 低噪声放大器设计

低噪声放大器选用Broadcom ATF-551M4 E-pHEMT 超低噪声放大管。该低噪放模块在0.4～0.6GHz的噪声系数小于0.3dB，增益高于20dB。此放大管具有极低的噪声系数，适合作为第一级放大器使用。在设计低噪放时使用最小噪声系数匹配方法[6]，放大管栅极采用电阻分压作为偏置。设计完成的低噪声放大器版图如图4所示。低噪放基板采用Rogers RO4350B，板厚0.508mm，损耗正切角0.0037。

由ATF-551M4放大的信号经过3dB耦合器合成输出，3dB耦合器输出端级联一个低噪声放大器以提高链路增益。此低噪放选用中电55所研制的WFD001020-L17低噪声放大器模块，在0.1～2GHz，典型增益16.5dB，噪声系数小于1.7dB，P1dB为16dBm，外围电路简单无需匹配电路，适合作为后级放大器提高增益。

3 测试结果

加工的限幅低噪放实物如图5。各元器件通过焊料烧结或者导电胶粘结贴装在腔体内，并用金丝键合完成互连，最后将壳体进行激光封焊。

限幅低噪放的S参数测试使用Agilent E8361C PNA矢量网络分析仪。测得的增益如图6所示，在400～600MHz，增益为27±0.2dB，平坦度良好。输入输出端口驻波比均小于1.4。

噪声系数的测量使用Keysight MXA N9020A信号分析仪和Keysight N4002A噪声源，测得的噪声系数如图7所示。测量结果表明，在400～600MHz，该限幅低噪放的噪声系数小于1.7dB。

在耐大功率信号测试时，使用脉冲功率计。测试时需要大功率衰减器，以将大功率脉冲信号衰减至满足脉冲功率计探头的输入功率限制；在限幅低噪放的前端，应接有定向耦合器和大功率匹配负载，以防止限幅低噪放的大功率回波反射到功放造成损坏。在测试前首先对功放输出脉冲功率进行校准，并将线缆、连接器、衰减器等的损耗计入校准过程。

此限幅低噪放经过800W（3ms，33%占空比）的脉冲功率信号，1小时的测试，没有损坏。再次进行常规性能测试，无明显变化。

4 结语

设计了一款P波段平衡式低噪声放大器。此限幅低噪放采用了准有源结构的限幅器，增强了PIN管限幅能力，实现了大功率限幅。经过加工测试，性能良好，具有较高实用价值。

参考文献

[1]Platonov S V， Osipov A M， Kozlovsky E Y. Power limiter/low-noise amplifier of C-band[C]//International Conference and Seminar on Micro/nanotechnologies and Electron Devices. IEEE， 2010：193-196.

[2]Mahmoudidaryan P， Medi A. Codesign of Ka-Band Integrated Limiter and Low Noise Amplifier[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2016， 64（9）：2843-2852.

[3]Schuh P， Reber R. Robust X-band low noise limiting amplifiers[C]// Microwave Symposium Digest.IEEE，2014：1-4.

[4]艾競.小型化X波段平衡式限幅器设计[D].成都：电子科技大学，2013.

[5]尤喜成，喻志远.L波段限幅低噪声放大器的设计[C].2007年全国微波毫米波会议论文集，2007.

[6]Reinhold Ludwing， Pavel Bretchko.射频电路设计：理论与应用[M].王子宇，张肇仪，徐承和译.北京：电子工业出版社，2007.