适合批量生产的低噪声放大组件设计

2012-09-19黄晓华

电子与封装 2012年10期

陈荻，黄晓华，梅亮

（中国电子科技集团公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

低噪声放大器（LNA）是现代雷达、射频通信、电子战系统中的重要部件，在接收系统中它总是处于前端的位置，对整个系统接收的微弱信号进行放大，并降低噪声的干扰，对整个接收系统的接收灵敏度和噪声性能起着决定性作用[1]。随着高可靠相控阵雷达的广泛应用，接收支路中低噪声放大器的需求也日益增大，设计出集成度高且适合批量生产的低噪声放大器非常重要[2]。本文通过对低噪声放大器的正交桥、FET偏置、电压转换等要素的设计优化，充分考虑放大器的可制造性和高可靠性，研制出集成度高、可制造性佳、一致性好的S波段低噪声放大组件，有效满足了相控阵雷达系统的各项要求。

2 电路设计

2.1 电路原理

放大器主要技术指标有噪声系数、增益、驻波、动态范围等。噪声系数与增益在指标实现上相互矛盾，实际应用中应该折中考虑，理论依据是：在保证放大器稳定的前提下，采用等噪声系数圆和等增益圆寻找一个最佳工作点。

放大器要满足较好的回波损耗、较低的噪声系数、良好的幅频特性、一致性好等要求，综合考虑选择平衡式结构[3]。平衡式放大器能较好地改善增益平坦度，获得较低的回波损耗，阻抗匹配性能优良，并可获得较高的输出能力，放大器组件原理如图1。

图1 放大器组件原理框图

2.2 正交桥的选择

正交桥也叫3dB耦合器，常用的正交桥有两种：交叉指型电桥[4]和分支电桥[5]。交叉指型电桥又称为Lange桥，在微波集成电路中有很广泛的应用，它的频带可以做到倍频程或略宽，但是其中细长的交指耦合线与窄小的耦合间距，一般的印刷工艺很难满足其精度要求；分支电桥设计和制作都相对简单，电桥每臂长度为λg/4，λg为平均频率的微带波长，一般的印刷工艺即能满足精度要求，但频带较窄。考虑到组件带宽约为10%，综合性能、工艺、生产效率等多方面因素，选用分支型电桥。通过运用奇偶模理论对电路的性能进行分析，并运用计算机仿真得到了体积小、插入损耗低、性能优的圆环分支电桥。

2.3 限幅开关衰减器

在有收发功能的组件中，为了防止发射功率泄露对前置低噪声放大器的损坏，需设计一个合适的限幅器[6]。PIN管限幅器分为串联和并联两种形式，由于并联形式具有插入损耗小、散热好等优点，实际应用较多。由于单只PIN管自身的限幅能力有限，实际使用多采用级联的方式实现限幅能力强、反应灵敏度高的限幅器。二极管的功率容量和反应时间与本征层厚度有关，本征层厚，承受功率较大，本征层薄，灵敏度高。PIN管外加直流电流，本征层阻抗降低，PIN管导通，信号衰减，可以实现开关衰减功能[7]。所以选择本征层较厚的PIN管作为前级，耐受较高的功率；本征层较薄的PIN管作为后级，获得良好的门限电平和快速响应。电路原理图如图2所示。

2.4 FET的偏置

场效应管的偏置方式有单电源（自偏置）及双电源形式[8]。本次设计采用双电源形式，并利用三极管的特性有效地使FET的工作状态一致，是一种自适应的偏置电路。偏置电路原理图如图3所示。

图2 限幅开关衰减器原理图

图3 有源偏置原理图

不难看出，Vds≈Vb+0.6V，Id=（5-Vds）/Rd，Vg通过Q1可以自动调整到合适的值，而Vb可以通过Rb1及Rb2确定[9]。采用这种偏置电路，即使场效应管工作点的离散性及批次性差异很大，也能够保证每个FET有一致的工作点，无需调整电路元器件参数。使用该方法能自动调整FET工作点、一致性好，省去FET管工作点调试步骤，减少因FET管工作点差异引起的其他指标的不一致，从而大大提高调试生产效率。

2.5 电压转换

由于采用了双电源偏置，组件电源部分需增加电压转换这个功能电路。由于FET工作时栅电流很小，所需的负电流也很小，设计采用单稳触发器组成正负变换电路。正负变换电路的电原理图如图4所示。

单稳触发器与R、C构成振荡电路[9]。振荡频率约为2/RC，设计频率为100kHz。振荡输出方波经二极管整流得到负压。该电路使用元器件少，采用SMT技术，工艺实现简单。

2.6 电路仿真

对于有一定带宽的低噪放设计，传统的设计方法是在一个频点上根据给定的增益，在史密斯圆图上做等增益圆，再在等噪声圆族上找出与之相切的等噪声系数圆，确定对应最小的等噪声系数，然后再在其他频率点上重复该过程，以确定放大器能否在整个带宽内同时满足所要求的增益和噪声系数指标。得到最初值后，可在各种微波EDA软件中进行优化，比如ADS、MWO、Designer等，这些软件在寻找最优值时的共同点都是做小信号的仿真，只需告诉软件管芯的小信号S参数和不同频率下与噪声相关的参量。

该放大器采用两级FHX35LG级联，选用Rogers4003介质板。通过软件优化电路拓扑得出各电路参数，软件模拟结果如图5所示。模拟结果为：场效应管在指定的放大器增益在28.4dB左右，增益起伏为0.2dB，噪声系数约为1.2dB，工作条件为室温，最佳工作点：VD=3V，ID=15mA。

2.7 工艺结构上的优化

为了确保产品的高可靠性、一致性和可生产性，从以下两方面进行了设计优化。

2.7.1 双电源偏置电路

在单电源自偏电路中FET的栅极通过电感接地，源极通过平板电容与电阻并联接地[10]。该方法虽然电路简单，但是平板电容装配工艺复杂，而且平板电容的电极易损坏，不易返修。采用双电源后无需装配平板电容，所有元器件可使用表面贴装技术，通过回流焊烧结一次装配完成，工艺简单、返修方便。

2.7.2 介质板大面积焊接

介质板采用丝网印刷工艺大面积焊接在机壳上，保证了放大组件接地的连续性，使得组件性能稳定，提高了产品性能的一致性和生产效率。

3 试验结果

基于电路仿真结果，通过一系列的设计优化，最终在Rogers4003介质板上制作出S波段低噪声放大器，经过调试，组件的增益、驻波等指标如下：增益28.5dB，增益起伏小于±0.2dB，输入输出驻波小于1.3，噪声1.7dB，组件间的相位一致性小于3°，从图5和图6可以看出，实测数据和仿真基本一致。通过实际仿真和实测结果对比可以看出一致性非常好，可以用来指导大批量生产。试制了6只产品，调试方法简单，一致性很好。