带有新型偏置电路的X波段低噪声放大器设计
摘 要： 针对温度等因素会改变三极管的静态工作点进而影响放大器性能的问题，采用一种直流偏置反馈控制技术，设计了一个X波段的低噪声放大器。同时，采用等资用功率增益圆和等噪声系数圆相结合的方法，以加快LNA的设计过程。对成品的实际测试和调试表明，此放大器达到了预定的技术要求，性能良好，其工作频率范围为10.2 GHz～10.8 GHz，噪声系数小于2 dB，增益达到34.5 dB，S参数S11优于-10 dB。关键词： 温度；直流偏置反馈控制技术；低噪声放大器；噪声系数；增益
低噪声放大器（LNA）是现代雷达、射频通信、测试仪器、电子战系统中的重要部分。在接收系统中，它总是处于前端的位置，其主要作用是放大天线接收到的微弱信号，并以足够高的增益克服后续各级（如混频器）的噪声，制约着整个接收系统的性能。随着通信、雷达技术的发展，对微波LNA的要求越来越高，因此研制合适的宽频带、高增益、更低噪声系数的放大器，已经成为微波系统设计中的核心技术之一[1]。1 低噪声放大器的设计理论 LNA的性能指标主要是噪声系数、增益、工作频率、电压驻波比和带内平坦度等，其中噪声系数和增益对整机性能影响较大。要实现最小噪声系数传输，必须使负载阻抗与源阻抗相匹配，这就需要插入匹配网络。放大管存在最佳源阻抗Zopt，LNA的输入端应按Zopt进行匹配，此时放大器的噪声系数最小。为了获得较高的功率增益和较好的输出驻波比，输出端采用共轭匹配方式。如果增益不够，则需要采用多级放大器。 式中，Nf为放大器整机噪声系数，Nfn和Gn分别是第n级放大器的噪声系数和功率增益。由式(1)可知，在多级网络级联时，放大器的噪声系数主要由第一级决定。因此，要获得好的噪声性能，必须按最佳噪声匹配设计输入匹配电路。 低噪声放大器要有一定的增益，其大小要适中。太大会使后面的混频器由于输入太大而产生非线性失真；而为了抑制后面各级对系统噪声系数的影响，增益又不能太小[3]。 需要特别注意的是，微波放大器由于器件内部S12的作用会产生内部反馈，可能使放大器工作不稳定而导致放大器的自激，因此在做端口匹配前，先要判断放大器的稳定性。判断放大器绝对稳定的条件[4]为： 结合表1数据和式(2)可知，FHX13是绝对稳定的，而FHX35存在潜在不稳定性，因此需要注意后两级匹配电路的设计。2.4 匹配网络的设计 为了同时满足增益和噪声这两大主要指标，本文采用双向设计法，利用等资用功率增益圆和等噪声系数圆相结合的方法来实现既能满足噪声系数
要求，又能满足增益要求的低噪声放大器[5]。 首先在ADS中画出等资用功率增益圆和等噪声系数圆[6]，取频率点为10.5 GHz，经过仿真后的结果。其中，细线是等增益圆，m1点是最大增益点；粗线是等噪声系数圆，m2点是最小噪声系数点。为了兼顾噪声系数和增益，选用m3点作为匹配设计点，图中显示了该点处呈现在放大器输入端的源反射系数ГS为0.692/139.959，利用Smith圆图对输入网络进行匹配设计。
2.5 直流偏置电路的设计 偏置电路至关重要，合理的偏置能让放大器工作在最佳状态下。由于单电源自给偏压偏置缺乏灵活性，且源极不能直接到地，影响增益和噪声系数，还容易产生自激，所以本文采用双电源设计直流偏置电路，。
为了使直流偏置电路与射频电路之间互不影响，在电源与晶体管之间加入了中心频率的四分之一波长微带线；为了实现更宽频率范围的良好滤波特性，采用了扇形开路块作为偏置滤波电路；为了减小直流偏置电路所引入的噪声，还在电源处添加了电容去耦。 此外，本设计的直流偏置电路的最大特点是采用了直流偏置反馈控制技术，可以避免因温度等因素的变化而对电路性能造成影响，提高了该电路的稳定性。，当温度变化导致Ids增大时，由于三极管发射极的电流很小，可忽略不计，从而导致电阻R4上分压增大，发射极电压变小，基极与发射极之间的电压变小，进而使得集电极电流变小，Vgs变小。根据微波放大管的特性曲线，当Vgs变小时会引起Ids变小，因而可以维持之前的静态工作点，保持电路的稳定工作。3 测试结果及分析 根据仿真结果得到的尺寸和结构，采用介电常数较为稳定的Rogers的RO4350B（介电常数为3.66，厚度为0.508 mm，铜箔厚度为0.035 mm，损耗角为0.003）作为微带电路的材料基片。 对实体电路进行测试时，需要加上放大器的盖板并涂上吸波材料，以降低腔体效应的影响。使用Agilent公司的E8363A矢量网络分析仪测试增益和输入回波损耗，测试结果。图4显示，在频率为10.5 GHz时的增益为34.54 dB，输入回波损耗优于-10 dB，并且在10.2 GHz～10.8 GHz的频带内，增益和输入回波损耗都达到了设计指标。
其中，ENR使用R&S公司的FSP-40频谱分析仪进行测试，测试结果。由图5可知，输出噪声功率谱密度在噪声源开启和关闭时的时差为12.07 dB。在频率为10.5 dB时，从ENR头读出的NF值为13.71 dB。根据式(4)得到噪声系数为1.92 dB(小于2 dB)，因此满足设计的要求。
图6显示了在不同温度条件下对电路进行测试的情况：图6(a)显示在温度为80 ℃时测得的在10.2 GHz～10.8 GHz的频带内的增益(虚线所示)以及输入回波损耗(实
线所示)；图6(b)显示在温度为120 ℃时测得的在10.2 GHz～10.8 GHz的频带内的增益(虚线所示)以及输入回波损耗(实线所示)。经过测试，在温度为80℃时，该LNA的噪声系数为1.93；在温度为120 ℃时，该LNA的噪声系数为1.93。通过上述对比发现，在温度发生变化时，所设计的低噪声放大器的性能没有明显变化，能够满足工程设计的需要。 本文利用等资用功率增益圆和等噪声系数圆相结合的方法，设计了一个工作在X波段、不受温度变化影响、高增益的低噪声放大器。该放大器具有调试简单、稳定可靠、成本低廉、体积小的特点，大小仅为43.6 mm×34 mm×15 mm，使得小型化模块系列产品更加完善，进一步拓宽了低噪声放大器的应用领域。
带有新型偏置电路的X波段低噪声放大器设计
摘 要： 针对温度等因素会改变三极管的静态工作点进而影响放大器性能的问题，采用一种直流偏置反馈控制技术，设计了一个X波段的低噪声放大器。同时，采用等资用功率增益圆和等噪声系数圆相结合的方法，以加快LNA的设计过程。对成品的实际测试和调试表明，此放大器达到了预定的技术要求，性能良好，其工作频率范围为10.2 GHz～10.8 GHz，噪声系数小于2 dB，增益达到34.5 dB，S参数S11优于-10 dB。关键词： 温度；直流偏置反馈控制技术；低噪声放大器；噪声系数；增益
低噪声放大器（LNA）是现代雷达、射频通信、测试仪器、电子战系统中的重要部分。在接收系统中，它总是处于前端的位置，其主要作用是放大天线接收到的微弱信号，并以足够高的增益克服后续各级（如混频器）的噪声，制约着整个接收系统的性能。随着通信、雷达技术的发展，对微波LNA的要求越来越高，因此研制合适的宽频带、高增益、更低噪声系数的放大器，已经成为微波系统设计中的核心技术之一[1]。1 低噪声放大器的设计理论 LNA的性能指标主要是噪声系数、增益、工作频率、电压驻波比和带内平坦度等，其中噪声系数和增益对整机性能影响较大。要实现最小噪声系数传输，必须使负载阻抗与源阻抗相匹配，这就需要插入匹配网络。放大管存在最佳源阻抗Zopt，LNA的输入端应按Zopt进行匹配，此时放大器的噪声系数最小。为了获得较高的功率增益和较好的输出驻波比，输出端采用共轭匹配方式。如果增益不够，则需要采用多级放大器。 式中，Nf为放大器整机噪声系数，Nfn和Gn分别是第n级放大器的噪声系数和功率增益。由式(1)可知，在多级网络级联时，放大器的噪声系数主要由第一级决定。因此，要获得好的噪声性能，必须按最佳噪声匹配设计输入匹配电路。 低噪声放大器要有一定的增益，其大小要适中。太大会使后面的混频器由于输入太大而产生非线性失真；而为了抑制后面各级对系统噪声系数的影响，增益又不能太小[3]。 需要特别注意的是，微波放大器由于器件内部S12的作用会产生内部反馈，可能使放大器工作不稳定而导致放大器的自激，因此在做端口匹配前，先要判断放大器的稳定性。判断放大器绝对稳定的条件[4]为： 结合表1数据和式(2)可知，FHX13是绝对稳定的，而FHX35存在潜在不稳定性，因此需要注意后两级匹配电路的设计。2.4 匹配网络的设计 为了同时满足增益和噪声这两大主要指标，本文采用双向设计法，利用等资用功率增益圆和等噪声系数圆相结合的方法来实现既能满足噪声系数
要求，又能满足增益要求的低噪声放大器[5]。 首先在ADS中画出等资用功率增益圆和等噪声系数圆[6]，取频率点为10.5 GHz，经过仿真后的结果。其中，细线是等增益圆，m1点是最大增益点；粗线是等噪声系数圆，m2点是最小噪声系数点。为了兼顾噪声系数和增益，选用m3点作为匹配设计点，图中显示了该点处呈现在放大器输入端的源反射系数ГS为0.692/139.959，利用Smith圆图对输入网络进行匹配设计。
2.5 直流偏置电路的设计 偏置电路至关重要，合理的偏置能让放大器工作在最佳状态下。由于单电源自给偏压偏置缺乏灵活性，且源极不能直接到地，影响增益和噪声系数，还容易产生自激，所以本文采用双电源设计直流偏置电路，。
为了使直流偏置电路与射频电路之间互不影响，在电源与晶体管之间加入了中心频率的四分之一波长微带线；为了实现更宽频率范围的良好滤波特性，采用了扇形开路块作为偏置滤波电路；为了减小直流偏置电路所引入的噪声，还在电源处添加了电容去耦。 此外，本设计的直流偏置电路的最大特点是采用了直流偏置反馈控制技术，可以避免因温度等因素的变化而对电路性能造成影响，提高了该电路的稳定性。，当温度变化导致Ids增大时，由于三极管发射极的电流很小，可忽略不计，从而导致电阻R4上分压增大，发射极电压变小，基极与发射极之间的电压变小，进而使得集电极电流变小，Vgs变小。根据微波放大管的特性曲线，当Vgs变小时会引起Ids变小，因而可以维持之前的静态工作点，保持电路的稳定工作。3 测试结果及分析 根据仿真结果得到的尺寸和结构，采用介电常数较为稳定的Rogers的RO4350B（介电常数为3.66，厚度为0.508 mm，铜箔厚度为0.035 mm，损耗角为0.003）作为微带电路的材料基片。 对实体电路进行测试时，需要加上放大器的盖板并涂上吸波材料，以降低腔体效应的影响。使用Agilent公司的E8363A矢量网络分析仪测试增益和输入回波损耗，测试结果。图4显示，在频率为10.5 GHz时的增益为34.54 dB，输入回波损耗优于-10 dB，并且在10.2 GHz～10.8 GHz的频带内，增益和输入回波损耗都达到了设计指标。
其中，ENR使用R&S公司的FSP-40频谱分析仪进行测试，测试结果。由图5可知，输出噪声功率谱密度在噪声源开启和关闭时的时差为12.07 dB。在频率为10.5 dB时，从ENR头读出的NF值为13.71 dB。根据式(4)得到噪声系数为1.92 dB(小于2 dB)，因此满足设计的要求。
图6显示了在不同温度条件下对电路进行测试的情况：图6(a)显示在温度为80 ℃时测得的在10.2 GHz～10.8 GHz的频带内的增益(虚线所示)以及输入回波损耗(实
线所示)；图6(b)显示在温度为120 ℃时测得的在10.2 GHz～10.8 GHz的频带内的增益(虚线所示)以及输入回波损耗(实线所示)。经过测试，在温度为80℃时，该LNA的噪声系数为1.93；在温度为120 ℃时，该LNA的噪声系数为1.93。通过上述对比发现，在温度发生变化时，所设计的低噪声放大器的性能没有明显变化，能够满足工程设计的需要。 本文利用等资用功率增益圆和等噪声系数圆相结合的方法，设计了一个工作在X波段、不受温度变化影响、高增益的低噪声放大器。该放大器具有调试简单、稳定可靠、成本低廉、体积小的特点，大小仅为43.6 mm×34 mm×15 mm，使得小型化模块系列产品更加完善，进一步拓宽了低噪声放大器的应用领域。