基于电抗匹配的低噪声放大器频带拓展技术

邢 君, 李畅游

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

在工程应用上，设计者难免会遇到有放大器芯片不满足设计所需带宽的情况，可以利用已有近似频段、指标类似的放大芯片经过阻抗匹配技术扩展频段使用。本文提供了一种新型频段拓展技术，可将宽带低噪声放大芯片工作频率显著增加。经理论和试验验证，该技术可应用于HF/VHF频段通信或电子对抗设备微波信号的接收、放大[1-2]。

1 设计构思

TQP3M9028芯片是一款被业界广泛使用的低噪放芯片，其工作频率为50 MHz～4 GHz，具备噪声系数低、增益平坦度好、P-1高等特点，因此在LTE/WCDMA/EDGE/CDMA领域被广泛长期使用，而某工程中需要的放大电路工作频率为20 MHz～4 GHz。由于关键指标要求的限制，难以选择到完全适合的芯片。对此，设计师尝试采用新的设计手段，对价格低廉且性能优异的TQP3M9028芯片进行电路频段拓展设计。

表1 指标与需求对比

频带拓展设计成功的关键是匹配网络。匹配网络要解决稳定性、增益、驻波比等问题。设计的难点在于保持放大器的稳定性。此案例中带宽虽然仅推进了30 MHz，但倍频程扩大了2.3倍，造成宽带特性极易处于不稳定状态，尤其是20～50 MHz频段。

一个典型的放大电路包括输入匹配网络、放大芯片、直流偏置和输出阻抗匹配网络，模型框图如图1所示。

2 设计理论

在设计过程中，放大器电路必须满足在工作频段内稳定。对于射频电路这一点极其重要。若电路处于不稳定态，则在某些频率或终端条件下有产生震荡的倾向。用k因子来衡量这一指标[3]。绝对稳定条件可以用k>1来描述。

(1)

|Δ|=|S11S22-S12S21|；

(2)

以绝对稳定条件k>1为前提进行有源电路的匹配设计。输入输出匹配网络主要对一端是50Ω、另一端是实部较小的复数阻抗进行匹配。容性、低阻抗放大器芯片的等效匹配可以如图2所示的方式[4]。

当芯片的等效阻抗为感性、实部较小时，匹配网络可以等效并联电容，把等效阻抗中的电感分量谐振掉。

这款TQP3M9028的匹配电路，其电路搭建如图3所示，匹配过程需要确定电感、电容值。芯片需要匹配的等效电抗：

其中，ω=2πf，C为电容，L为自感系数，f表示频率。X不变的条件下，频率越低，电感越大，电容越小[4-6]。利用仿真软件ADS获得电感电容的准确匹配值。

3 软件建模与仿真

在ADS软件中导入TQP9028的S2P文件，搭建仿真电路，设置S参数仿真频域范围，并加入驻波及稳定性系数仿真控件。

搭建好的原理图如图4所示。

由第2节的分析可以看出，若等效电抗为定值，则频率越低匹配电容值越大而匹配电感值越小。通过优化电感、电容值，设计得到了适合使用的匹配电路(见图4)，即放大器两端串接56 nF，电源供电到放大器输出端串接8 μH电感。此时，在超出放大器使用范围的频率上仿真得到了较好的指标。

得到仿真结果如图5所示。

由仿真结果得到，放大器电路在20 MHz～4 GHz频段增益13.7～17.2 dB，驻波小于1.6，k>1处于稳定态。

4 实物与测试

射频部分实物图如图8所示。

测试结果：增益13.5～17.4dB，驻波<1.8，1 dB压缩点20.5 dBm，噪声系数<2.9 dB。

测试与仿真结果相符，实物经过-40℃～70℃温冲、电老炼等基本环境试验未发现故障，实用有效，满足任务要求。

5 结束语

本文通过阻抗匹配实现了一款低噪声放大芯片的扩频使用，得到可满足任务要求的实物。电路从设计到应用过程周期短、成本低，应用于电子对抗短波接收，实用性强，可类比设计性强。