0_1_2_8GHz超宽带低噪声放大器的研制

0_1_2_8GHz超宽带低噪声放大器的研制第27卷第8期电子元件与材料Vol.27No.82021年8月ELECTRONICCOMPONENTSANDMATERIALSAug.20210.1~2.8GHz超宽带低噪声放大器的研制钱可伟，田忠（电子科技大学电子科学技术研究院，四川成都610054）摘要:选用噪声较小、增益较高且工作电流较低的放大管ATF55143，利用两种负反馈和宽带匹配技术，结合ADS软件的辅助设计，研制出宽带低噪声放大器。在0.1~2.8GHz范围内，其增益大于30dB，平坦度小于±1.3dB，噪声系数小于1.45dB，工作电流小于60mA，驻波比小于1.8。该放大器成本较低，体积较小，可应用于各种微波通讯领域。关键词:电子技术；低噪声放大器；超宽带；微波通讯中图分类号:TN850文献标识码:A文章编号:1001-2028（2021）08-0062-03Developmentofultra-broadbandLNAin0.1~2.8GHzQIANKe-wei,TIANZhong(RIEST,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,China)Abstract:Anewultra-broadbandlownoiseamplifier(LNA)wasdevelopedtouseATF55143amplifiertubewhichhaslownoise、highgainandlowoperatingcurrent,basedontwonegativefeedbacksandwidebandimpedancematchingtechnologiesandADSsoftwaresubsidiarydesign.TheLNAshowsthegainabove30dB,flatnessbelow±1.3dB,operatingcurrentbelow60mAandnoisefigurelessthan1.45dB,withlowcostandsmallvolume.ThisLNAcanbewidelyusedinmicrowavecommunicationareas.Keywords:electrontechnology;LNA;ultra-broadband;microwavecommunication随着光纤通信、移动通信、卫星通讯、电子对抗、微波测量仪器等向着小型化、宽频带、低噪声以及更高的工作频段发展[1]，微波晶体管放大器的低噪声和宽频带设计问题得到越来越广泛的重视。衡量通信质量的一个重要指标是信噪比，而改善信噪比的关键就在于降低接收机的噪声系数[2]。因此需在接收机前端安置低噪声放大器，一个具有前置低噪声放大器的接收系统，其整机噪声系数将大大降低，从而灵敏度大大提高，信噪比也得到改善。笔者研制了一种新型超宽带低噪声放大器，该放大器在接近5个倍频程的工作频带内具有优良的噪声系数和增益平坦度，能提高接收机的灵敏度。1设计方案晶体管的功率增益在频率高端随着频率的增加以6dB/倍频程下降，因此设计宽带放大器时必须使用相应的方法补偿此增益滚降，且保证整个频带内的稳定性，所以要考虑宽频带阻抗匹配及选择恰当的电路形式[3]。宽带放大器有以下几种：①分布放大器；②平衡放大器；③有耗匹配放大器；④负反馈放大器。通过比较，虽然负反馈放大器各个特性的改良是以略微增加噪声为代价的，但这种电路形式仍不失为在笔者研究的频段内综合效果最优的方法，因此采用负反馈形式。利用负反馈技术在超宽频带内平衡增益平坦度和端口驻波比等指标，同时保证反馈回路引入的噪声控制在要求以内（由于仿真结果和实测结果往往会有差距，故还需在设计时给指标留出一定余量）。由于工作电流和尺寸大小的限制，30dB的增益只能用两级放大来实现（如果用三级放大，不仅尺寸要求难以保证，工作电流难以满足，而且容易自激振荡）。1.1器件选择与偏置电路第一级选用ATF55143放大管，它的优势是增益收稿日期：2021-04-28通讯作者：田忠作者简介：田忠（1968－），男，甘肃兰州人，研究员，研究方向为宽带毫米波通讯技术。Tel:138********；E-mail:zhtian@钱可伟（1981－），男，重庆人，实习研究员，主要从事微波电路与系统的研究。Tel:135********；E-mail:eddiej_qian@。研究与试制第27卷第8期63钱可伟等：0.1~2.8GHz超宽带低噪声放大器的研制较高，噪声较低，工作电流小，且供电方式简单。此外，它的静态工作点较稳定，不易自激。偏置电路如图1所示。图1ATF55143偏置电路Fig.1BiascircuitofATF55143第二级采用单片放大器Gali33，它的优势是在工作频段内增益较为平坦，工作电流小，且稳定性好。两级放大均是单极供电。偏置电路结构简单，易调整。扼流电感用100nH的Coilcraft电感，耦合电容用100pF的三星电容。1.2负反馈电路采用两种负反馈来控制各指标的平衡。其中栅极和漏极之间的反馈网络由0402规格的微波电阻、电感和电容组成，其作用主要是调节噪声系数和端口驻波比，同时兼顾电路的稳定性；源级串联负反馈用于控制增益及增益平坦度的大小。图2负反馈网络Fig.2Negativefeedbacknetworks漏极和栅极之间的负反馈电路由微带线和一些集总元件构成。由于工作频段较高，寄生参数影响很大（由ADS仿真易见），所以这里的电阻选用0402或0201规格的微波电阻，这样寄生电容（约为0.05pF）带来的影响可控制在指标范围内。电容起隔直作用，容值取100pF，电感采用Coilcraft高频电感。源级串联负反馈可以降低整个电路对晶体管自身性能变化的敏感度，增加放大器线性度。源级串联无耗电感反馈时，由于可以降低最佳噪声源阻抗的电抗部分，而对其电阻部分几乎没有影响，所以几乎不恶化噪声，但使宽带噪声匹配更易于实现。在场效应晶体管的源极串联一个适当的反馈电感，由一段短路微带线代替，实现起来简单、方便，成本低，且易于调试。1.3稳定性设计电路的稳定性设计必不可少，因为高增益放大器比较容易自激，此外在结构设计上及装配工艺上都要考虑稳定性因素。放大器腔体的横向宽度要小于最高频率的半波长，以避免腔体内空间产生波导传输效应。这项要求和一般低噪声放大器原理是一样的。有必要时，腔体的上盖还要贴敷微波吸收材料，以减小空间耦合引起的增益起伏。在版图空白处添加大面积的通孔接地[4]，一方面为了保证散热和接地效果良好，另一方面是为今后调试留下焊接空间。该放大器由于频带较宽，总尺寸必然较长，因此微带基板要采取措施压紧在底板上，防止翘曲。把基板的空闲面积尽量多的铺满接地金属层，保证螺钉数量足够多，并把螺钉孔的孔壁金属化，使基片上的金属层与地金属层完全连通，进一步改善接地状况。电路基板选用Arlon公司的AD350，其介电常数为3.5，厚度为0.508mm，金属导体厚度为18μm。1.4电路的优化利用ADS软件，对ATF55143和Gali33单片放大器的S参数和噪声参数进行分析，设计两级低噪声放大器。在优化电路时，应包括主要电路的分布参数，金属孔化，不连续节点和集总参数元件的分布电感等以及考虑器件S参数和噪声参数的离散性。由于要同时兼顾增益、平坦度、噪声和驻波比等指标，计算过程很复杂，所以借助ADS对放大器的前后级匹配电路和整体性能参数进行调试优化。2测试结果与讨论将放大器装配好后（见图3）用E4440A矢量网络分析仪和N8975噪声系数分析仪等测试，最终测试结果见图4、图5。图3放大器实物图Fig.3ImageofLNAsample由图4、图5可知，研制的低噪声放大器在超宽带的工作频段内(实际接近5个倍频程)具有噪声低（Nf＜1.45dB）、增益高(＞30dB)、平坦度好(＜±1.3dB)、功耗小、驻波比低(＜1.8)的特点。该放大器工作电流低于60mA。跟国内同频段低噪放相比，指标处于领先地位，并接近国外先进水平。输入输出Vdd+5V64钱可伟等：0.1~2.8GHz超宽带低噪声放大器的研制Vol.27No.8Aug.2021图4增益及噪声系数与频率的关系Fig.4Relationshipsoffrequentywithgainandnoisefigure图5输入/输出驻波比与频率的关系Fig.5Relationshipsoffrequencywithinput/outputVSWR3结论0.1~2.8GHz超宽带低噪声放大器采用负反馈技术，利用专用微波设计软件进行优化设计，通过采用成熟的微组装工艺制作完成。该放大器达到了较高的性能指标，可以在各种电子通讯系统中广泛运用。参考文献：[1]张雅松.2~8GHz宽带低噪声放大器设计[J].电子测量技术,2021,26(4):560－565.[2]徐静,薛良金.毫米波HEMT低噪声放大器[J].电子科技大学学报,2021,25(3):210－214.[3]潘少祠.2.4GHz低噪声放大器的研究[J].杭州电子科技大学学报,2021,25(4):56－59.[4]ShaefferDK,LeeTH.A1.5V1.5GHzCMOSlownoiseamplifier[J].IEEEJSolid-StateCircuit,1997,32(5):745－759.（编辑：陈渝生）（上接第54页）[9]PengXS,ZhangLD,MengGW,etal.MicroRamanandinfraredpropertiesofSnO2nanobeltssynthesizedfromSnandSiO2powders[J].JApplPhys,2021,93:1760－1763.[10]LiuYK,ZhengCL,WangWZ,etal.SynthesisandcharacterizationofrutileSnO2nanorods[J].AdvMater,2021,13:1883－1887.[11]AbelloL,BochuB,GaskovA,etal.StructuralcharacterizationofnanocrystallineSnO2byX-rayandRamanspectroscopy[J].JSolidStateChem,1998,135:78－85.[12]PortoSPS,FleuryPA,DamenTC.RamanspectraofTiO2,MgF2,ZnF2,FeF2andMnF2[J].PhysRev,1967,154:522－526.[13]SunSH,MengGW,ZhangGX,etal.RamanscatteringstudyofrutileSnO2nanobeltssynthesizedbythermalevaporationofSnpowders[J].ChemPhysLett,2021,376:103－106.[14]PengXS,ZhangLD,MengGW,etal.CharacteristicsofSnO2fishbone-likenanostructurespreparedbythethermalevaporation[J].Vacuum,2021,93:1760－1763.[15]LiuYK,ZhengCL,WangWZ,etal.FabricationoforderedSnO2nanotubearraysviaatemplateroute[J].AdvMater,2021,13:1883－1886.[16]AbelloL,BochuB,GaskovA,etal.RamanscatteringstudyofrutileSnO2nan