X波段低噪声放大器的仿真与设计

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

雷达是一种通过发射电磁波和接收回波对目标进行探测和测定目标信息的设备[1]。由于雷达接收到的回波信号非常微弱并且极易受到其它信号的干扰，所以雷达接收机灵敏度是成功接收到微弱信号的关键。X波段低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)作为雷达接收机的第一级有源电路，它的增益、噪声等指标直接决定雷达接收机的性能。高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)是砷化镓场效应管(GaAsFET)的改进型，对设计高频率、低噪声和高增益的低噪声放大器有明显的优势。本文选用NEC 公司的高电子迁移率晶体管NE3210S01 设计了一款工作在9.5 GHz 10.5 GHz频率下的低噪声放大器。

1 X波段低噪声放大器原理与设计

1.1 直流偏置电路设计

一般来说，选择好场效应管以后，要想使放大器在某个频段内有良好的性能，首先必须确定晶体管的直流偏置点。由NEC 公司提供的datasheet 资料可知，在VDS=2 V，ID=10 mA的偏置条件下，晶体管工作在最佳状态。

本文设计的偏置电路采用双电源供电，电路如图1所示。电阻R1和R2 起到分压的作用，把-2 V分压到-0.4 V，其阻值分别为400 Ω和1 600 Ω;电容C1和C3的电容值为1 000 pF，C2和C4的电容值为10 μF，这些电容起到去耦的作用。在设计直流偏置电路时，需要设计一个高频滤波电路来阻止射频信号流入直流通路中，本文是通过一个3λ/4 高阻线，再端接扇形微带来形成一个低通滤波器，这样能很好地滤除高频信号。偏置电路仿真结果如图2所示，从仿真结果看出，扇形微带线和高阻线对高频信号影响非常明显，很好地防止了微波信号进入直流电路，防止它对电路产生影响。

图1 直流偏置原理图

图2 直流偏置仿真图

1.2 低噪声放大器稳定性设计

稳定性是放大器设计中需要考虑的非常重要的因素，放大器必须工作在稳定状态，稳定性取决于管子的S 参数、输入输出匹配网络等[2]。判定稳定性的条件如下:

一开始对管子进行稳定性判定时，发现晶体管在8 GHz以下出现K ＜1 潜在不稳定的情况，因此在设计匹配电路之前要对晶体管进行稳定性设计。设计的方法有许多种，最简单的方法是在源级与地之间加一个合适的电感，可引起串联负反馈[3]，使晶体管的稳定性提高。由于在频率较高的情况下，电感分立元器件在焊接的时候会产生很大的寄生效应，而引起误差，所以最后的电感由一段微带线代替。图3给出了加入负反馈后的最终匹配电路稳定系数仿真图，由图3可以看出电路处于绝对稳定状态。

图3 最终稳定性曲线图

1.3 匹配电路设计和两级电路仿真优化

低噪声放大器最明显的指标是噪声和增益[4]。级联系统的噪声系数如下:

式中，NFi为各级放大链路的噪声系数，Gi为各级的增益。从式(2)可以得出第一级的噪声系数对整个系统的噪声有很大的影响，只有当接收机前端的低噪声放大器有着很小的噪声系数和足够大的增益时，才能使得整个系统的噪声系数较小。

二端口网络放大器噪声系数如下:

式中，晶体管的源导纳Ys=Gs+jBs，Yopt为得到最小噪声系数的最佳源导纳，NFmin表示当Ys=Yopt时获得的晶体管的最小噪声系数，RN为晶体管的等效噪声电阻，Gs为源导纳的实部。

输入匹配按最佳噪声来匹配，级间匹配和输出匹配按共轭匹配方式[5-6]。要求第一级有较低的噪声，级间和后级要求有最大功率传输。首先利用ADS 设计向导工具来扫描管子的S 参数，得到晶体管的最小噪声阻抗为(33.2-j21.3)Ohm，利用ADS 强大的匹配工具得到输入匹配电路如图4所示。设计好输入匹配电路后，使用ADS中的输出端口阻抗控件计算出第一级输出阻抗，将此阻抗和第二级的输入阻抗共轭匹配来设计两级之间的匹配电路。同样输出匹配电路也用输出端口阻抗控件计算输出阻抗值来进行匹配。

图4 加入输入匹配的单级电路原理图

两级电路原理图由图4单级电路衍生得到，两级电路的输入、输出和级间都需要加隔直电容，由于隔直电容在X波段很难保持良好的特性，因此电路中使用λ/4 微带耦合线来隔直流，在仿真中取耦合线宽为0.2 mm，耦合间隙为0.1 mm，其隔直效果非常好。经过仿真优化得到满意指标后，借助ADS 软件将原理图生成版图，然后将生成的版图做电磁仿真，得到不错的优化结果后将版图进行PCB 设计。

2 PCB 设计与实物测试

将优化后的版图通过CAM350 软件导入到Altium Designer 10.0 中进行PCB 设计，在PCB 设计中将版图仿真优化后的过孔加到电路中，在匹配微带的枝节末端加上可调的微带，这样可以在做出板子以后出现误差可以方便调试，以获得更好的性能。在PCB 周边空的位置大面积敷铜有助于电路的良好接地。最后在PCB 电路板的4个角打上螺丝孔，方便做好的电路板能固定在屏蔽盒内并且电路板的接地部分能很好的和屏蔽盒连接在一起，增加了电路的稳定性。加工PCB所需的板材为罗杰斯RO4003，板材的介电常数为3.38，板厚为0.508 mm，正切损耗角为0.002 7，铜箔的厚度为0.017 mm。经R ＆ S 公司矢量网络分析仪(ZVM)和安捷伦N8975A 噪声分析仪在常温下进行测试，其测试结果和仿真结果如图5所示。从结果可以看出，仿真和实测基本吻合，但有一定误差，原因可能是没有接屏蔽腔体使得电磁波辐射的影响，还有就是软件仿真和实际加工精度有一定误差，并且管子的实际参数和仿真有些偏差，最后焊接也会对结果产生影响。

图5 测试结果和仿真结果对比图

3 结束语

本文借助ADS 软件仿真设计了一款X波段低噪声放大器，在输入输出和两级之间采用耦合微带线来隔直流;在直流偏置电路中采用3λ/4 高阻线和扇形开路线形成一个高频滤波电路来阻止高频信号对直流电路的影响;并用负反馈的方法来增加放大器的稳定性。结合高电子迁移率晶体管的优势成功的设计了一款满足雷达前段的X波段低噪声放大器。其设计理论和方法可行，可为其它频段的低噪声放大器提供一些借鉴。

[1]丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理[M].北京:电子工业出版社，2009:112-118.

[2]Pozar D M.微波工程(Microwave Engineering)[M].张肇仪，周乐柱，吴德明，等译.北京:电子工业出版社，2006:265-279.

[3]陈烈强，顾颖言.利用ADS仿真设计射频宽带低噪声放大器[J].微波学报，2010，(8):288-291.

[4]Jeemon B K，Veeravalli S K，Shambavi K，et al.Design of a high gain low noise amplifier for wireless applications[C]//Information ＆ Communication Technologies(ICT)，2013 IEEE Conference on.JeJu Island:IEEE，2013:1171-1174.

[5]Manohar S，Kirty V S R.An ultra low noise amplifier at X band[C]//Microwave and RF Conference，2013 IEEE MTT-S International.New Delhi:IEEE，2013:1-4.

[6]Misra D.Radio-frequency and microwave communication circuits:analysis and design[M].Hoboken:John Wiley ＆ Sons，Inc.，2004:385-448.