X、Ku波段宽带低噪声放大器的设计

何 川， 孙玉发， 贾世红

（1.安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601；2.合肥锐捷特种电子设备厂，安徽 合肥 230009）

随着电子对抗、微波通信和遥测遥感等技术的发展，对微波系统的小型化、宽频带、高频段、低噪声及固态化等要求不断提高。

微波宽带低噪声放大器一般用于微波接收机系统的前端，其性能直接影响到整个系统的优劣，现今很多微波放大器的研究重点都放在减小体积、增加带宽和增加输出等方面［1－6］。

本文设计了一种覆盖X、Ku波段的微波宽带低噪声放大器，其工作频率为8～18GHz，带内功率增益G＞32dB，增益平坦度｜ΔG｜＜3dB，输入输出端的回波损耗S11和S22均优于－7dB，噪声系数NF＜2.8dB，1dB压缩点输出功率P1dB＝16dBm，且具有工作频带宽、输入输出匹配结构简单的特点。

1 宽带放大器结构的选择

现在常用的宽带放大器有以下几种形式：① 分布式放大器，它可以获得较宽的频带、较低的回波损耗和较高的增益，在相对较宽的频带内也有较好的噪声系数；② 平衡式放大器，它改善了增益平坦度，可以获得较低的回波损耗，频带可达倍频程，阻抗匹配性能优良，缺点是工艺要求高，电路体积大；③有源匹配式放大器，是用FET代替微带线段或电容和电感作为匹配电路元件，频带能达到几个倍频程，匹配性能良好，适用于单片微波集成；④ 负反馈式放大器，在FET的漏极和栅极之间加入反馈，以压低低频端的增益，改善放大器的输入输出匹配，带宽可达多倍频程，能够获得较低的回波损耗、较好的增益平坦度，但是各个特性的改良是以增加噪声为代价的；⑤ 有损耗匹配放大器，它是对增益高的低段增加电阻性损耗，改善放大器的增益平坦度，增加匹配带宽，使电路的输入输出结构简化，但是由于引入电阻性损耗，所以噪声略微升高。综合上述5种情况，本文采用有损匹配的方法来展宽频带。

有耗匹配是一种可在多倍频程范围内补偿固有的增益滚降，从而获得宽带平坦增益的电路匹配方式［7］。匹配网络引入的电阻在频带低端吸收能量，在频带高端则尽可能少地影响放大器的增益。引入电阻能拉平放大器的增益、提高器件的稳定性，但也会带来不利因素，如输出功率降低，噪声增大。电路常用的拓扑是在输入和输出端应用电阻器与高特征阻抗的短截线相串联。在低频段，短截线有较小的电抗，电阻加载晶体管降低了增益。在高频段，短截线有高电抗（对于短截线长度为1／4波长时，其值趋于无限大），电阻对晶体管的影响甚小。因此，匹配网络不是借助于失配，而是通过引入一个正极性的增益斜率来补偿晶体管增益滚降。有损匹配式放大器具有平坦的高增益、良好的输入输出匹配。此外，电阻性器件可以很好地缓解低频段稳定性问题，电路原理图如图1所示［8－9］。

图1 有损匹配电路的原理图

从图1b所示的有损匹配式放大器的低频模型出发，可得：

其中，Z0为传输线的特性阻抗；Gds为漏极与源极之间的电导；GD为有损匹配时漏极加载的电导。

2 电路的仿真设计

本文设计的放大器用于宽带微波接收系统的前端，对天线接收到的X、Ku波段的微波信号进行低噪声放大，再将其送到微波接收机进行处理。由于放大器要放置在天线的背面，所以对放大器的体积有一定的限制。在设计匹配电路时，主要考虑放大器的增益、增益平坦度、输入输出回波损耗以及放大器的结构，尤其是在对带宽、频段、噪声系数以及电路尺寸都有要求的情况下，对上述性能进行合理的折衷是宽带放大器的设计关键。宽带匹配电路的设计是微带放大器电路设计的重点，对于窄带的放大器通常要求电路的输入输出回波损耗优于－10dB，但是对于宽带放大器由于Bode约束条件［10］的限制，工程中通常要求对输入输出回波损耗要优于－7dB。为了实现整个微波接收系统的性能指标，放大器的具体设计技术指标为：工作频段8～18GHz；功率增益G≥31dB；增益平坦度｜ΔG｜＜±2dB；输入输出端的回波损耗S11和S22优于－7dB；噪声系数小于3.0dB；1dB压缩点输出功率P1dB≥16dBm。

本文采用美国Hittite公司生产的HMCALH－435，它是一种由砷化镓调制掺杂异质结的高电子迁移率晶体管（HEMT）放大芯片，HEMT具有独特的能带结构和低噪声、高功率增益、低功耗、高效率等特点。ALH435最高的工作频率可以达到20GHz，并且噪声系数比较低。其主要性能如下：在12GHz处有13dB的增益和2.1dB的噪声系数，1dB压缩点输出功率为16dBm，并且在18GHz处增益可以达到12.2dB。为了达到设计的技术指标，输入端用微带线匹配的方式降低输入端的回波损耗，输出端用有损匹配的方式优化增益及平坦度，增加带外的衰减，采用三级HEMT单级放大器级联的形式。

未匹配单级放大器的增益以及输入输出端口的回波损耗S11和S22如图2a所示，图中单级放大器的增益平坦度和输入端回波损耗S11曲线均不满足指标要求，设计时单级放大器的输入端匹配电路，输出端采用有损匹配电路，其增益及回波损耗曲线如图2b所示。由图2b可见加入匹配电路之后牺牲了增益和输出端回波损耗，使单级放大器增益控制在（11±1）dB，输入端回波损耗S11优于－8dB。

将单级放大器进行级联之后的仿真电路如图3所示，输出端的匹配电路由电阻R1、电容C1、电感L1和T型微带线组成，输入端的匹配电路由不对称十字型微带线构成，通过对电路的优化调整，得到最终的增益、输入输出端放射系数和噪声系数仿真结果分别如图4所示。

图2 单级放大器增益和回波损耗仿真曲线

从图4中可以看出，级联放大器在工作频带内增益可以达到33dB，增益平坦度小于3dB，输入输出端回波损耗S11和S22都优于－9dB，噪声系数小于2.8dB。三级级联放大器的噪声系数公式为：

其中，NF1为第1级单级放大器的噪声系数；G1为第1级单级放大器的增益。整个设计阶段的仿真使用Agilent公司的Advanced Design System软件，通过软件的仿真和优化，达到了技术指标的要求。

图3 级联放大器仿真电路图

图4 级联放大器的仿真结果

3 实物测试及分析

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 Rogers4003（εr＝3.38，h＝0.508mm）作为电路的基板，实际制作出一款有损匹配宽带低噪声放大器，如图5所示。使用Agilent5230A矢量网络分析仪测得放大器样品的功率增益S21曲线以及输入输出回波损耗S11和S22曲线，分别如图6所示。由图6可见，测试结果满足设计的技术指标，但与仿真结果相比功率增益约小1dB左右，输入端和输出端的回波损耗约高1～2dB。主要原因分析如下：整个微带电路的仿真都是在理想无耗的状态下进行的，电路的制作过程中存在工艺误差，输入输出端SMA接头非最佳匹配、工作温度变化等影响了放大器的功率增益、回波损耗和噪声系数等性能。尤其是在本设计的高频段（16～18GHz）表现更为明显。在实际制作中应注意以下几个方面的问题：①保证电路板有充分的面积屏蔽盒牢固的接触，以保证电路有良好的接地性能；② 屏蔽盒空腔的谐振频率要远离放大器的工作频率；③ 在电路调试的时候预留匹配点以及加入吸波材料用来调整放大器的性能。

图5 放大器的实物图

图6 放大器的测试结果

4 结束语

本文对宽带放大器的原理及其匹配方式进行了分析，并且在电路结构、器件选择等方面讨论了宽带低噪声放大器的设计。通过有损匹配和微带线匹配的方式实现了覆盖X、Ku波段的宽带放大器，在工作频带内功率增益大于32dB，增益平坦度小于3dB，最大输出功率为16dBm，输入输出端的回波损耗S11和S22均优于－7dB，噪声系数小于2.8dB，外形尺寸为50mm×30mm×15mm。本文设计的放大器完全符合技术指标要求，是一种性能优良的小型微波宽带低噪声放大器，可以广泛应用于微波通信、无线遥测等电子设备中。

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