X波段低噪声放大器设计

张胜杰

摘 要：介绍了一款X波段低噪声放大器的设计与调试过程。设计采用NEC公司的HEMT晶体管NE3515S02制作，放大器采用两级级联，并利用先进系统软件进行噪声、稳定性、增益、驻波比等参数的仿真分析，同时绘制了电路板，然后使用三维建模软件 Autodesk inventor设计了放大器的壳体。制作的LNA指标为：在8.8 GHz～9.6 GHz频带内，功率增益为22 dB，带内平坦度小于1 dB，噪声系数小于1.5 dB，输入输出驻波比小于1.5。

关键词：低噪声放大器；噪声系数；驻波比；仿真分析

中图分类号：TN722 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

低噪声放大器（Low Noise Amplifier， LNA）是微波接收系统的核心器件之一，它对整个接收机系统的接收灵敏度和噪声性能起着决定性作用。通信和雷达技术的发展，对微波放大器也提出了更高的要求。低噪声，高增益，良好的带内平坦度，足够的带宽成为LNA越来越严格的指标[1，2]。

1 低噪声放大器的设计

LNA的设计主要包括：放大器指标的确认，晶体管选择，晶体管直流参数分析，稳定性分析，输入输出匹配电路的设计，级间匹配电路设计，偏置电路的设计，原理图和版图的联合仿真以及电路板制作与电路调试等。

1.1 设计指标与器件选择

本文设计的低噪声放大器期望指标如下：工作频率8.8GHz～9.6 GHz，增益22 dB，噪声系数小于1.5 dB，输入输出驻波比小于 1.5。

通过阅读各大器件公司的设计手册，最终选用NEC公司的砷化镓异质场效应晶体管NE3515S02。在经过适当匹配的情况下，在12 GHz下噪声指标为0.5 dB。由于其良好的噪声性能和带内平坦度，尤其适于工作频段为在2 GHz～18 GHz的低噪声放大器。基片采用Rogers公司的4350B，其相对介电常数εr=3.38，厚度h=0.508 mm，铜箔厚度T=0.035 mm。

1.2 偏置电路设计

偏置电路的设计是影响低噪声放大器性能的一个主要因素。偏置电路不仅能提供管芯所需的稳定电压和最大电流，使管芯稳定工作，同时可以滤除由管芯产生的各种高低频信号和谐波，起到信号隔离的作用[3]。

偏置电路包含电源滤波模块，电压转化模块，射频滤波模块，通过阅读数据手册得到晶体管的静态工作点为Vds=2 V，Ids=60 mA，Vgs=-0.8 V，晶体管需要采用常用的正负5 V双电源进行供电，为保证其正常工作，需要对供电电路进行电压转化，并对电源信号进行滤波处理，以减小电源信号中的谐波分量对放大器噪声的影响，同时，设计相应的滤波电路，防止射频信号通过偏置电路向外泄露[4]。偏置电路示意图如图1所示。

2 稳定性分析与匹配电路设计

2.1 稳定性分析

要使放大器在频带范围内稳定工作，需要对放大器进行稳定性设计。如果放大器存在潜在的不稳定情况，有可能导致放大器自激振荡从而烧坏晶体管。因此必须保证放大器在 工作频带内绝对稳定[5]。放大器的绝对稳定条件可以用稳定系数K来描述：

2.2 匹配电路设计

图3所示是微波器件的二端口网络框图[1]，其中，Γ1，Γ2分别为输入，输出反射系数，ΓS，Γl分别为信源和负载的反射系数，输入匹配电路主要考虑放大器的噪声系数

匹配网络的作用不仅可实现源与负载间的理想功率传输，还具有减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等功能。设计时，输入匹配电路按照最小噪声匹配，级间电路按照最大功率传输进行匹配，在兼顾最小噪声、信号增益、输入输出回波损耗以及带内平坦度的前提下， 还可对原理图进行整体的仿真优化。

3 优化仿真与测试

3.1 联合仿真及优化

在ADS设计中，原理图的仿真并没有考虑微带线，微带线拐角，电路焊盘，接地孔，平行微带等因素的电磁效应，这些因素会对放大器的性能产生很大影响。为了创建精确的仿真模型，需要对放大器进行电磁联合仿真，创建电路的实际布局模型，将原理图仿真中使用的理想电容、电感、电阻用实际模型取代，并对联合仿真进行优化。

3.2 测试与调试

放大器的介质基板选用Rogers 4350B，介电常数为3.38，板厚0.508 mm，使用Altium Designer 进行电路板的绘制，根据电路板的尺寸，使用三维建模软件Autodesk Inventor进行电路壳体的设计，最终电路实物如图4所示。

设计中，介质基板需要充分接地。为保证信号不向外泄露，需要使用穿心电容穿过壳体，供电电线使用同轴线，以保证射频信号不通过电线泄露[6]。由于X波段波长比较短，微带电路的加工存在一定误差，同时由于焊接，SMA接头，接地孔，外部干扰信号，壳体谐振以及供电电源滤波不充分等因素的影响，实际测试的LNA性能与联合仿真的结果存在差异，为此，可使用调试块对微带线宽和线距进行调试，同时在壳体内部添加一块铜皮，以破坏腔体的内部结构，使得腔体的谐振频率在8.8 GHz～9.6 GHz范围以外，最终使用矢量网络分析仪和频谱分析仪进行测试，实际测试电路的增益为22 dB，增益平坦度小于1 dB，输入输出驻波比小于1.5，噪声小于1.5 dB，从而达到了设计指标。其测试结果如图5所示。

4 结 语

本文通过使用Agilent公司推出的ADS软件，成功设计了一款工作在X波段的低噪声放大器，工作频率为8.8GHz～9.6 GHz，输入输出驻波比均小于1.5，增益为22dB，增益平坦度小于1 dB，噪声系数小于1.5 dB，通过对放大器壳体的设计以及电路的测试、调试，深刻理解了微波电路设计的理论和方法，设计调试中的工程经验对低噪声放大器的设计具有重要的借鉴意义。

参考文献

[1]王红梅，任缅. X波段低噪声放大器的设计[J].电子设计工程，2012（6）：166-168.

[2] Kuo， W.L.， et al. A Low-Power， -Band SiGe HBT Low-Noise Amplifier for Near-Space Radar Applications[J]. Microwave and Wireless Components Letters， IEEE， 2006，16（9）： 520-522.

[3]马万雄， 陈昌明，张川.X波段低噪声放大器设计[J].电子器件， 2013（1）：64-67.

[4] Xiao-mei， W.， et al. Design of X-band low-noise amplifier for optimum matching between noise and power， in Education Technology and Computer （A）. 2010 2nd International Conference on. 2010， IEEE： Shanghai. . V5-184-V5-188.

[5]潘安， 成浩，葛俊祥.X波段低噪声放大器的设计与仿真[J].现代雷达， 2014（1）：66-69.

[6]张译.GaN基X波段低噪声放大器与E/D模电平转换电路研究与设计实现[D].西安：西安电子科技大学， 2014.