气象探空雷达中平衡式低噪声放大器设计

王 潇，申呈洁，钱国明

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，南京 210003)

气象探空雷达中平衡式低噪声放大器设计

王 潇，申呈洁，钱国明

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，南京 210003)

为了提高L波段气象探空雷达中射频前端的稳定性，采用ATF54143晶体管设计了一种平衡式结构的低噪声放大器。通过使用ADS软件对该低噪声放大器进行了优化、仿真，并进行了实物加工。实物测试表明，该低噪声放大器带内增益大于15dB，噪声系数小于1dB，稳定性系数大于1。

探空雷达；平衡式放大技术；低噪声放大器；定向耦合器

0 引 言

L波段探空雷达是我国目前气象监测、环境监测等行业重要的探测设备。在使用探空雷达进行作业时，系统稳定性是探空作业成功与否的第一要素[1]。L波段气象探空雷达结构主要包括天馈线系统、射频接收系统、天控系统等。低噪声放大器(LNA, Low Noise Amplifier)多用于雷达射频接收系统的第一个有源模块，其主要功能是在引入较少噪声的情况下尽量放大输入小信号，从而在低功率点上保证所需的信噪比。对于大信号，LNA应做到在不失真的情况下放大输入信号，从而消除信道串扰。因此，合适的LNA设计在雷达射频接收系统设计中占有非常重要的地位[2]。

常见的LNA有单端式和平衡式两种。单端式LNA的输入输出回波损耗较差，匹配很困难，且温度变化对放大器整体性能影响较大，时间用久了稳定性会变差，但因为只用到一个晶体管，所以制成电路板的尺寸会相对较小，集成度较好。而平衡式LNA通过两个90°耦合器消除了来自两个相同放大器的输入和输出反射，从而使得阻抗匹配比单端式LNA简单许多，且平衡式LNA的可靠性也比单端式LNA要高，因为两个晶体管中若有一个损坏，另一个还可继续发挥作用，只是增益略有下降[3]。

LNA设计需要同时考虑到诸多因素，如高增益、低噪声系数、良好的输入输出匹配、稳定度及线性要求。这些因素同等重要，且相互之间并不完全独立。低噪声系数与最佳输入匹配在没有反馈回路下不可同时获得，绝对稳定在很多情况下需牺牲部分增益作为补偿，高IP3需要高电流，而最小噪声系数通常需要电流较低。

本文针对L波段气象探空雷达中射频前端高稳定性的需求，采用Avago公司芯片ATF54143晶体管进行了平衡式低噪声放大器的设计与实现，对平衡式低噪声放大器中3 dB耦合器、功率增益、稳定性及噪声系数进行了理论分析，并通过使用ADS软件对平衡式低噪声放大器外围电路及阻抗匹配进行了搭建并仿真优化，完成了电路仿真设计以及制板和实物测试。

1 平衡式低噪声放大器设计架构

1.1 平衡式放大结构

平衡式放大结构由两个3 dB定向耦合器与两个晶体管放大器组成，如图1所示，Q1和Q2为两个性能一致的场效应管。输入端的耦合器称为功率分配器，将输入信号分成功率相等、相位相差90°的两个信号，送给场效应管Q1和Q2。输出端的耦合器称为功率合成器，将相差90°的两个信号合成为同相信号输出[4]。

图1 平衡式放大器的结构

1.2 3 dB 90°相移定向耦合器原理分析

一个平衡式放大器需要着重考虑的是射频信号的功率分配与耦合，功率分配和功率耦合通过功分器和耦合器实现。功分器和耦合器都是无源器件，能够以微带线的形式实现或通过表面封装体实现。

常见的耦合器有Wilkinson耦合器、分支线耦合器与Lange耦合器。但是，Wilkinson耦合器一个臂上需要有额外的90°微带线，Lange耦合器的主要缺点是实用问题，因为这些线很窄且又紧靠在一起，加工起来相当困难。在射频微波电路中，经常用到多端口网络，分支线定向耦合器是最常用的多端口网络。它在电路中起到了十分重要的作用，能在固定的参考相位的条件下，分开和组合射频微波端口[5-6]。

3 dB定向耦合器(图2)的作用是把一路信号分成两路信号，且这两路信号之间相位相差为90°。

图2 3 dB 90°相移定向耦合器示意图

其S参数表示为

(1)

定向耦合器性能的主要技术指标有耦合度、定向性、隔离度、输入电压驻波比[7]。

(1) 耦合度C

当端口1接信号源且端口2、3、4均接匹配负载时，端口1的输入功率P1与端口2的输出功率P2之比的分贝数为该定向耦合器的耦合度C，则

(2)

(2) 方向性系数D

端口2的输出功率P2与端口3的输出功率P3之比的分贝数为定向耦合器的方向性系数D，则

(3)

(3) 隔离度I

端口1的输入功率P1与端口3的输出功率P3之比的分贝数为该定向耦合器的隔离度I，则

(4)

(4) 输入电压驻波比

当定向耦合器直通端口4、反向耦合端口2、隔离端口3都匹配负载时，在输入端口1处测量到的驻波系数为输入电压驻波比。

1.3 低噪声放大器的性能分析

1.3.1 功率增益

放大器的转换功率增益GT定义为负载吸收功率与信号源的资用功率(available power)之比：

(5)

(6)

1.3.2 稳定性分析

放大器电路工作的首要条件是在工作频段内保持绝对稳定，否则将会导致电路的振荡，必须满足

|ΓL|<1, |ΓS|<1

(7)

(8)

(9)

其中，△=S11S22-S12S21,最后得出绝对稳定的条件为

|△|<1

(10)

(11)

1.2.3 噪声系数分析

噪声系数定义为输入端口的信号与噪声比跟输出端口信号与噪声比之比。若把放大器电路看作一个二端口网络，则噪声系数为

(12)

其中,Vn为二端口网络的噪声电压源，In为噪声电流源，Rin为二端口网络的输入阻抗，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，B为测量系统的噪声带宽。为了计算最佳源阻抗Zopt，通过一系列变换可得

(13)

1.4 设计指标

平衡式结构的应用配置确保了好的输入输出匹配，帮助提高稳定性。功分耦合网络必须低损耗、尺寸小，在使用带宽上要有好的相位及幅度匹配。ATF54143在2GHz处的性能指标指标如表1所示，其中增益与噪声系数是整个电路设计的关键参数。

表1 ATF54143低噪声放大器性能指标

2 平衡式低噪声放大器设计与仿真

2.1 3 dB耦合器设计

采用国内普遍使用的FR-4基板，并利用ADS自带的LineCalu工具计算耦合器缝宽和线宽，设计原理图如图3所示。

使用ADS进行仿真与优化后，3 dB耦合器仿真S参数如图4所示。从仿真结果可以看出，此3 dB耦合器在频点2 GHz处耦合度接近-3 dB，隔离度小于-30 dB，在频段1.6～2.4 GHz内耦合度在-3.8 dB左右，基本达到设计要求。

图3 3 dB90°相移定向耦合器

2.2 直流仿真及偏置电路设计

直流偏置网络为晶体管提供合适的静态工作点。一个合适的静态工作点可以减少环境波动及电源电压变化，以保证最小的谐波失真，确保信号的线性放大。参照ATF54143的数据手册，选择Vds=3 V及Ids=60 mA作为静态工作点，通过直流扫描可得Vgs=0.60 V。偏置网络采用分压拓扑结构，计算公式如下：

(14)

(15)

(16)

其中，IR1R2为流过R1和R2的电流，Ids为晶体管的静态偏置电流，Vdd为电源电压，Vds为晶体管的漏极电压，偏置设计电路仿真如图5所示。

图5 偏置电路设计仿真图

2.3 输入与输出电路匹配

平衡式低噪声放大器设计中最重要的部分为输入匹配网络和输出匹配网络的设计，它对于提高稳定性、降低噪声系数及提高功率都起着十分重要的作用。输入阻抗匹配网络的设计与输出匹配网络阻抗的设计着重点不同。对于输入阻抗匹配网络而言，设计主要是为了能够获得最大增益和增益平坦度，提高系统的稳定性和降低输入反射系数；输出匹配电路的设计重点主要考虑增益、各阶谐波一致、降低损耗及反射系数。匹配网络设计电路图如图6所示。

图6 匹配网络设计电路图

3 平衡式低噪声放大器实物测试结果

平衡式放大器由上下两路完全一样的放大电路组成。为保证整个电路设计指标能够满足，要使得上下两路的偏置电路、输入匹配电路及输出匹配电路完全一样，且3 dB定向耦合器也必须完全对称。在使用ADS仿真后，可知系统绝对稳定，噪声系数在带宽内小于1，均达到设计指标，如图7所示。

经过实物加工，平衡式低噪声放大器实物电路如图8所示。

图7 稳定性系数与噪声系数

图8 LNA实物电路图

实物加工完后，通过采用矢量网络分析仪来测量该平衡式低噪声放大器的S参数。将电源电压调至5 V，并对矢量网络分析仪进行校准，输入矢量网络分析仪的补偿值，测试结果如图9和图10所示。

由仿真结果及以上测试曲线图可知，所设计的平衡式低噪声放大器的噪声系数、增益、稳定性都达到设计指标。

图9 S11与S12测试曲线图

图10 S21与S22测试曲线图

4 结束语

针对L波段气象探空雷达中射频前端高稳定性的需求，本文采用Avago公司的ATF54143晶体管设计了一种平衡结构的低噪声放大器。此平衡式低噪声放大器由两个耦合器与两个相同的晶体管放大器组成，两个耦合器消除了来自两个相同放大器的输入和输出反射，从而使得阻抗匹配比单端式LNA简单许多。同时，平衡式LNA的两个晶体管中若有一个损坏，另一个还可继续工作，只是增益略有下降，从而使得整个雷达射频前端系统的可靠性提高。通过实物测试表明，此平衡式低噪声放大器带内增益大于15 dB，噪声系数小于1 dB，稳定性系数大于1，达到设计目标，满足了L波段气象探空雷达中射频前端的性能要求，并对以后进行稳定性需求高的射频前端接收系统设计有重要的参考意义。

[1] 郑凤杰,夏善红.基于L波段气象雷达的空中三维电场探测系统[J].电子与信息学报，2012,34(7):1637-1641.

[2] A.Veeravali,E.SanchezSinencio,J.SilvaMArtinei.Transconductance Amplifier Structures with Very Small Transconductances: a Comparative Design Approach[J]. IEEE J.of Solid-state Circuits,2002,37(6): 770-775.

[3] 陈邦媛.射频通信电路[M]. 2版. 北京: 科学出版社,2009:256-262.

[4] Guillermo Gonzalez.微波晶体管放大器分析与设计[M].北京: 清华大学出版社, 2003: 384-388.

[5] 王建武, 傅文斌. 3dB电桥的幅频特性和相频特性分析[J]. 空军雷达学院学报, 2005, 19(2):24-27.

[6] 徐兴福. ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社, 2009: 88-100.

[7] Xu J J,Wu Y F, S Keller,etc.1-8GHz GaN-based power amplifier using flip-chip bonding[J]. IEEE Microwave and guided Wave Letters,1999,9(7):277-279.

Design of a balanced low noise amplifier in meteorological sounding radars

WANG Xiao, SHEN Cheng-jie, QIAN Guo-ming

(College of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003)

A balanced low noise amplifier (LNA) is designed with the adoption of the ATF54143 transistor to improve the stability of the RF front end in L-band meteorological sounding radars. The LNA is optimized and simulated through the ADS software, and then processed. The LNA test indicates that the in-band gain is more than 15dB, the NF is less than 1dB, and the stability factor is more than 1.

sounding radar; balanced amplification technique; low noise amplifier; directional coupler

2014-04-05；

2014-05-09

广东省教育部产学研结合项目(项目编号：2011B090400296)

王潇(1987-)，男，硕士研究生，研究方向：射频与微波电路设计；申呈洁(1988-), 硕士，研究方向：射频与微波电路设计；钱国明(1964-)，男，教授，研究方向：无线通信技术与信号处理。

TN722.3

A

1009-0401(2014)02-0048-05