C波段低噪声放大器的设计_张海拓

研究设计

电　子　测　量　技　术

EL ECTRONIC M EASUREM EN T TEC HNOLO GY

第30卷第11期

2007年11月　C波段低噪声放大器的设计

张海拓　郭俊栋　周以国

(中国科学院电子学研究所　北京　100080)

摘　要:低噪声放大器(简称低噪放)是射频接收前端中的重要部件。一个性能良好的低噪声放大器可大大改善接收机的信噪比。本文介绍了一种C波段低噪声放大器的设计原理和设计方法,并给出了设计结果。该放大器采用N EC 公司的N E3210S01场效应晶体管(FET),为达到较高的增益和较好的增益平坦度,采用两级级联的方式。输出端串联一个有耗元件(电阻)保证放大器的稳定性。利用ADS强大的仿真优化功能设计了输入、输出及级间匹配电路,最终制成的放大器经反复调试后在4.5G～5.5GHz范围内增益(25±0.7)dB,噪声系数小于1.3dB,输出驻波小于115,达到了设计要求。

关键词:低噪声放大器;噪声系数;N E3210S01;ADS仿真

中图分类号:TN T22.3 文献标识码:A

Design of C2band low noise amplif ier

Zhang Haituo　Guo J undong　Zhou Y iguo

(Institute of Electronics Chinese Academy of Sciences,Beijing100080)

Abstract:Low noise amplifier(L NA)is an important part as the f ront end of the receiver.A good L NA can greatly improve the signal to noise ratio(SNR)of the receiver.We introduced the design principle and design method of a C band L NA and gave the result.FET N E3210S01of N EC Company was used in this amplifier system.A two2stage topology was used in order to achieve high gain and good gain flatness.A resister was put in series at the output of the last stage FET to make sure the amplifier is stable.The matching circuits connecting input output and interstage was designed with assistance of the powerf ul simulation and optimizing tool ADS.After repeating debugging,the proposed L NA finally satisfied the designing requirements with the gain of(25±0.7)dB,the noise figure of less than1.3dB and a less than1.5SWR in4.5G～5.5GHz band range.

K eyw ords:low noise amplifier(L NA);noise figure(N F);N E3210S01;ADS simulation

0　引 言

低噪声放大器(L NA)是现代雷达、射频通信、测试仪器、电子战系统中的重要部件,它主要将接收机接收到的微弱信号进行放大,降低噪声干扰。位于射频接收机前端,对整个系统的噪声特性起决定性作用,这就要求它的噪声系数越小越好,为了抑制后面各级噪声对系统的影响,还要求有一定的增益。设计性能优良的低噪声放大器对提高通信系统接收机灵敏度和通信质量有着十分重要的意义。

砷化镓场效应晶体管(GaAs FET)有着优良的微波性能,如频率高、噪声低、开关速度快以及低温性能好,在当前微波固态器件中已经获得越来越广泛的应用,是设计低噪声放大器的优良选择。本文即是选用N EC公司的砷化镓异质结场效应晶体管N E3210S01设计一应用于射频接收前端的C波段低噪声放大器。1　低噪声放大器设计

设计一个低噪声放大器需要考虑的指标主要有[1]:

(1)工作频率。不宜太宽,宽带难于获得低噪声要求。

(2)噪声系数N F。N F反映信号通过低噪声放大器后的恶化程度,总是希望越小越好,是低噪放设计最关键的指标,N F的大小与晶体管的静态工作点和信号源内阻有关。

(3)增益。低噪声放大器应该有一定的增益,可以抑制后面各级对系统噪声系数的影响,但其增益不宜太大,避免后面的混频器产生非线性失真。

(4)增益平坦度。指工作频带内增益的起伏,不允许增益有陡变。

(5)输入输出匹配。

(6)稳定度。是保证放大器正常工作的基本条件,一般要求绝对稳定,若不能满足绝对稳定条件,要合理设计

张海拓等:C波段低噪声放大器的设计第11期

匹配电路使偏离不稳定区域。

(7)非线性特性。主要由三阶互调截点I I P3和1dB

压缩点来度量。非线性特性与器件和电路特性有关,一般

场效应管的线性较好。

其中噪声系数和增益对整机性能的影响最大,单级电

路不能满足要求可采用多级级联。本文研制的低噪声放

大器工作频率4.5G～5.5GHz,带宽较宽,设计的重点在

整个频带内的低噪声和增益平坦度,利用ADS强大的仿

真优化工具,最终设计出了符合要求的产品。

1.1　方案选取

就放大器设计而言,有平衡和非平衡式2种电路形

式。平衡设计最大的优点是可以同时获得最小噪声系数

和良好输入匹配特性,以及具有更大的可靠性,缺点是电

路结构不能做的紧凑,因此体积较大,成本较高。就非平

衡放大器而言,可分为无反馈和有反馈2种情况,有反馈

的非平衡放大器的主要优点是能够在极宽的频率范围内

获得平坦增益特性,但是增益较低。本设计选用无反馈的

非平衡放大器,结构相对更加简单紧凑,在获得低噪声性

能的同时可获得较高的增益,但是需要在最小噪声和输入

匹配特性之间做出折衷和均衡[2]。

N EC公司的N E3210S01是性能优异的N沟道场效应

管,在C波段有良好的噪声和增益特性,缺点是晶体管的

输入匹配特性稍差,很难在1GHz的频率范围内实行全频

带的良好匹配,然而本设计应用在射频接收前端,可在低

噪声放大器前加一级高性能的C波段隔离器来改善放大

器的输入匹配特性,因此选用N E3210S01是可行的。

N E3210S01在5GHz处单管增益达不到系统要求,需采用

两级级联来提高放大器增益,采用同型号的微波晶体管级

联级间匹配电路较容易设计。两级放大器的噪声系数为:

N f=N f1+N f2-1

G1

(1)

式中:N f1、N f2分别是第一级和第二级的噪声系数,G1是第一级放大器的增益。可以看出第一级的噪声系数对总体影响最大,因此,第一级主要按照最佳噪声设计,第二级按照最大功率传输设计,并且兼顾输出增益的平坦度要求。

1.2　偏置电路设计

偏置电路主要给场效应管提供一个直流工作点,它影响到放大器的噪声系数和增益特性。对于场效应管,其漏级和源级之间电流I

DSS越大,则增益越高,但噪声系数也越差。选用的N E3210S01是双电源供电N沟道结型场效应管,设计时源级接地,选取V D=2V,I DSS=10mA的静态工作点,可获得噪声系数和增益特性的最佳平衡。本设计工作带宽20%,频带不算很宽,故直流馈电网络可选用λ/4高阻微带线,其终端用扇形线对高频短路,扇形线半径r是扇形线中的1/4波长,r值要比直微带线中的1/4波长短。根据系统的要求,采用±5V供电,通过电阻分压给晶体管栅极和漏极供电。普通电容的截止频率一般较低,在C波段有较大的射频损耗,故级间隔直采用λ/4耦合微带线设计,耦合线线宽0.2mm,耦合间隙0.2mm,仿真表明它对频带内射频信号的衰减相当小(<0.5dB),满足1GHz设计带宽的要求。

1.3　放大器稳定性分析

稳定性是保证放大器正常工作的前提条件。一个微波管的射频绝对稳定条件是:

K=

1-|S11|2-|S22|2+|Δ|

2|S12S21|

>1(2)

|S11|2<1-|S12S21|(3) |S22|2<1-|S12S21|(4)式(2)中Δ=S11S22-S12S21

K是判别系数,K大于1是稳定状态,所谓绝对稳定是指当信源阻抗Z s和负载阻抗Z l为任何值时,放大器都能稳定工作。不满足上述公式的情况称为潜在不稳定状态,对于潜在不稳定的微波管,不可能达到共轭匹配,因为共轭匹配点就是自激振荡点。设计时要使输入和输出电路呈现一旦程度的失配,使工作点移出不稳定区,保持放大器稳定工作[3]。

本设计要求低噪声放大器全频带绝对稳定,初步的仿真发现在工作频段内场效应管处于非稳定状态,这表明有Re{Z in}<0和Re{Z out}<0,稳定的方法是在不稳定端口增加一个串联或并联的电阻来抵消{Z in}和{Z out}中的负值成分。对于低噪声放大器,应尽量避免在输入端口增加电阻元件,因为电阻产生的附加噪声将会被放大,导致放大器噪声系数的恶化。本设计中采用在输出端口串联20Ω电阻,引入一定的损耗使输出绝对稳定,由于晶体管输入、输出端口的耦合效应,输入端口同时也达到了绝对稳定。由于电阻加在输出端,对噪声系数的影响不大,电阻的阻值比较小,因此对射频信号的损耗也很小[4]。

1.4　匹配电路设计

匹配电路设计主要考虑放大器的噪声系数、增益及增益平坦度,包括输入输出匹配及级间匹配电路。放大器的噪声系数可表示为:

N f=N f min+4

R n

R0

|Γs-Γout|2|

R0(1-|Γs|)2+|1+Γout|2

(5)

式中:N

f min是最佳噪声系数,

Γ

s是信源反射系数,

Γ

out是最佳信源反射系数,R n是等效噪声电阻。当Γs=Γout时,可以得到最小的噪声系数N f min,一般此时的输入匹配特性都不太好,非平衡结构设计只能对噪声和输入匹配特性进行折中考虑[5]。本设计中在低噪声放大器前加一级隔离器来改善放大器的输入匹配特性,因此输入匹配可主要按照最佳噪声设计,适当兼顾输入驻波的要求。

级间匹配电路的基本任务是使后级微波管输入阻抗与前级微波管输出阻抗匹配,以获得最大增益,同时要考虑输出平坦度的要求。输出匹配电路是要把微波管复数输出阻抗匹配到实数阻抗50Ω。N E3210S01的S22参数较