一种Ku波段低噪声放大器的设计

2022-09-12

1 设计研制过程

该低噪声放大器的主要设计指标是工作频段、增益、噪声系数、增益平坦度以及增益随温度的变化程度。其中的关键指标是噪声系数、增益和增益随温度的变化程度。图1是低噪声放大器的原理框图。

1.1 降低噪声系数

在K u波段, 我们采用场效应管。为了满足增益要求, 本课题中采用了两级放大器级联的方式。在级联网络中, 第一级网络的噪声系数对整个级联网络的噪声系数起到决定性的作用。因此, 在本设计中要得到低噪声, 关键在于降低前级放大器的噪声系数。

为了得到低噪声性能, 首先, 管子的选择很重要, 我们选用在16GHz处噪声系数为1.5dB的场效应管作为前级放大器中的放大管;另外一个重要的因素就是匹配电路的设计, 这里前级放大器电路的输入匹配采用最佳噪声匹配方式, 输出匹配采用共轭匹配方式。下面是理论上的匹配方法。

(1) 输入匹配网络设计。

为了获得最小的噪声系数, 选择Γs为最小值, 即Γs=Γsopt。两端参考阻抗为50Ω, 因此源和负载端口反射系数为Γs 0=0, ΓL 0=0, 求出微带线归一化长度值L 1、并联开路支节的归一化线长值L 1`。见图2。 (1

(2) 输出匹配网络设计。

由上一步设计得到Γs=Γs o p t, 则微波FET输出端口反射系数。

其中 (Ds=S11*S22-S12*S21) 。

为得到高增益, 输出端口采用共轭匹配, 因此选择ΓL=Γ2*, 求得输出匹配网络归一化线长值L2, 开路并联支节归一化线长值L2’。见图3。

1.2 提高增益增强电路稳定性

前级放大器的设计侧重于噪声系数的性能, 而后级放大器则注重增益的性能, 也就是针对最大增益和平坦度进行匹配电路设计。为此, 后级放大器电路的输入、输出匹配均采用共轭匹配方式以得到最大增益。

另外, 在电路设计时, 还要判断网络的稳定性。公式2、3、4方程组是二端口网络绝对稳定的充要条件。

1.3 减小增益随温度的变化程度

1.3.1 偏置电路

采用双电源偏置, 如图4所示。采图1放大器电路原理框图用这种方式的优点是安装方便, 不易自激, 但需要采用正负电源, 且要先加负电再加正电。

1.3.2 温补措施

随着环境温度的变化, 低噪放电路的增益也会变化。温度降低, 增益变大, 温度升高, 增益减小。经试验发现, 不加温补措施, 电路随温度变化 (+7 0°C～-4 0°C) , 增益变化约为5dB, 增加温补措施后, 增益变化范围在2dB内。

我们在偏置电路中加入温补措施, 如图4所示, R 1为负温度系数的热敏电阻, 当温度升高时, R 1阻值变小, V g (场效应管的栅极电压) 随之减小, I d (源极电流) 增大, 从而抬高F E T的增益, 补偿温度升高引起的增益减小的影响。这样就在温度变化时, 通过调节栅极电压, 起到了控制电流、稳定增益的作用。

2 电路建模和优化

由上述分析可见, 电路的设计尤其是输入、输出匹配和稳定性的判断从理论上进行分析计算时, 过程比较复杂。在实际设计中我们采用Ansoft公司的Serenade 8.7进行设计、优化。在实际的电路建模过程中主要注意以下几点。

(1) 在匹配电路的设计中, 所选的匹配点必须落在稳定区域内, 这样设计的电路才能满足稳定条件。

(2) 对电路中传输线和匹配网络的建模, 要确保与实际电路一致。尤其是电路中的微带突变节、T型节、开路微带以及偏置电路的模型要与实际电路一致。

(3) 模型中微带板的参数除了厚度和介电常数外, 还包括板材的损耗角、金属厚度、表面粗糙度、盒盖到微带板的空间距离等参数。

转圆图, 得到各输入、输出匹配电路, 完成初始建模后, 再利用Serenad 8.7的优化功能对电路进行适当优化, 以达到所需的噪声系数和增益等指标要求。

仿真后的结果为:工作频段:1 5.8GHz～16.2GHz;平均增益及平坦度:26.4±0.5dB;噪声系数:≤1.6dB;K>1, 绝对稳定。

3 测试及结果

根据以上设计方案, 我们研制生产了这一低噪声放大器, 并且进行了相关指标的测试。测试结果如下。

工作频段:15.8GHz～16.2GHz;平均增益及平坦度:26.6±0.5dB;噪声系数:≤1.8dB;增益随温度高低变化:≤2dB。

4 结语

本课题设计了一个1 6 G H z低噪声放大器, 仿真和实际结果相吻合, 在K u波段具有低噪声、高增益的优点。并且通过温补措施, 使其满足温度变化1 1 0 0 C环境要求。

摘要：在通讯系统中, 为了提高系统接收灵敏度, 需要降低内部噪声对系统的影响, 前端的低噪声放大器是决定整个系统噪声性能的关键部件。本课题设计的低噪声放大器运用在Ku高端系统中, 在15.8GHz～16.2GHz的工作频段内仍有相当低的噪声系数 (?1.8 d B) 。此外, 在温度变化高达110°C (+7 0°C～-4 0°C) 的恶劣环境下, 增益变化?2dB。

关键词：低噪声,放大器,匹配