平衡式宽带低噪声放大器设计

付 鲲，朱红雷，刘 伟，仝 飞

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710000)



平衡式宽带低噪声放大器设计

付 鲲，朱红雷，刘 伟，仝 飞

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710000)

针对现代通信对于通信数据容量的需求，接收机的前端电路的低噪声放大器需要满足宽带设计指标。平衡式放大器结构的使用和对耦合器优化设计可以在满足宽带设计指标的前提下，降低产品成本。使用射频仿真软件ADS对设计的电路进行仿真，结果证明了理论的可行性。设计的平衡式低噪声放大器实现了1.313 GHz从1.434～2.747 GHz的频率带宽，设计完成的平衡式宽带低噪声放大器噪声系数0.567±0.033 dB，增益系数15.5±2.25 dB，电路的输入端和输出端最大反射分别为-19.78 dB和-16.586 dB。

平衡式宽带；兰格耦合器；高电子迁移率晶体管；低噪声；先进设计系统

低噪声放大器[1-2]是雷达、基站接收机[3-5]前端的重要组成部件，低噪声放大器的设计包括噪声系数、增益、增益平坦度、线性度和输出功率等技术指标，其中噪声系数、增益和工作带宽是最为重要的指标。针对接收机[6]前端低噪声放大器的研究重点主要集中在提高工作带宽上。

因为射频的输入端和输出端反射以及增益每倍频降低6 dB，所以设计的接收机很难在较宽的带宽内正常工作。针对接收机的较大的工作带宽的要求，采用良好的半导体工艺生产出的晶体管放大器的工作带宽性能较好；其次通过结构上的改进，平衡式的结构也可以展宽带宽。在采用平衡式放大器的基础上对3 dB耦合器进行了改进，针对兰格耦合器的加工精度要求较高的问题，通过级联的方式可以在基本不降低耦合器性能的前提下，降低加工精度的要求。最后将设计的耦合器应用于平衡式放大器的设计。

1 平衡式放大器的结构

平衡放大器[7-8]的拓扑电路如图1所示，输入信号经过3 dB兰格耦合器分成两路幅度相等但相位相差90°的分量，分别经过两个完全相同的采用砷化镓工艺的结型场效应晶体管放大器，最后将两路放大器输出的信号在3 dB兰格耦合器上合成为一路输出信号。因为0°和180°相位差的信号相互抵消，所以两个放大器的输入反射在平衡结构的正交混合网络的输入端相互抵消，同理输出反射在输出端的正交混合网络上也相互抵消。

由图1可以得到传输系数S21、反射系数S11的表达式，其中GA和GB为放大器的增益，ΓA和ΓB为放大器的反射系数。

图1 平衡式放大其结构

(1)

(2)

如果两个放大器完全相同，可以推出S11=0，输出端的反射系数的推导同输入端的反射系数，从而平衡式结构能够较好地展宽带宽。

1.1 兰格耦合器的设计

正交3 dB混合网络是一种重要的无源微波器件，广泛应用于平衡式混频器，放大器，相移器。因为平衡式放大器电路的带宽主要由正交混合网络的带宽决定，兰格耦合器[3-4]理论上能够达到一个倍频程或更宽的带宽，所以兰格耦合器比分支线混合网络更适合应用于平衡式放大器。兰格耦合器通过λg/4长度的交叉指型耦合线的紧耦合获得宽频带性能，为了获得3 dB的耦合系数，耦合线的宽度W和耦合线之间的间隙S较窄，例如对于中心频率点为2 GHz的兰格耦合器，W和S分别为0.075 mm和0.079 mm，这么窄的微带线线宽和间隙对加工精度的要求很高，需要采用陶瓷基板来制作，这样成本将大幅提高，而无线通信系统设计和制作过程中重要的考虑因素是小型化和低成本，采用PCB工艺加工整体电路，可以大幅降低成本。串联两个松耦合的兰格耦合器[9-11]，可以达到紧密耦合的性能，通过计算可以得到中心频率点为2 GHz的两个串联8.34 dB兰格耦合器W和S分别为0.101 mm和0.361 mm，与单个耦合器比较可以看出，耦合线线宽和间隙明显变宽，降低了耦合器的加工精度，从而可以采用 PCB工艺来加工整体电路。

PCB板材选用Rogers公司的RT/Duroid5880基板。根据式(3)和式(4)可以计算出兰格耦合器的偶模阻抗Zoe和奇模阻抗Z0o。

(3)

(4)

根据设计中心频率点2.268 GHz,可以得到1/4波长耦合线长L=25.39 mm,根据式(3)和式(4)可以计算出耦合系数为8.34 dB的偶模阻抗Z0e=74.84 Ω和奇模阻抗Z0o=33.403 Ω。根据经验公式可以得到耦合线线宽W=0.051 mm和微带线间隙S=0.324 mm。因为本文设计的是宽带放大器，可以在中心频率点引入一定的误差，从而在低频和高频部分减少耦合端和直通端的偏差，从而展宽耦合器的带宽，然后通过ADS射频仿真软件调谐优化线宽和间隙后得到W=0.101 mm和S=0.347 mm。

1.2 级联耦合器的调试

以上是原理图仿真，由于加工误差的影响，实际加工电路的结果往往有很大偏差，但兰格耦合器加工后不便于调试，可以在耦合端和直通端加上如图2(a)所示的LC谐振电路[12]，来抵消加工过程中的误差，便于实物加工后电路的调试。直通端口和耦合端口的传输系数如图2(b)所示。电感和电容取值如表1所示。

表1 电感电容取值

图2 兰格耦合器电路及其性能

1.3 稳定性设计

放大器电路的输入阻抗和输出阻抗随频率的变化而变化，会引起晶体管的震荡，使放大器无法正常工作，所以必须保证晶体管无条件稳定，一种简单有效的方法是K-Δ检验，Rollet条件以及辅助条件可以定义为

(5)

|Δ|=|S11S22-S12S21|<1

(6)

Rollet条件以及辅助条件同时满足时，证明晶体管器件是无条件稳定的。晶体管偏置在Vds= 4 V，Id=60 mA[13], ADS稳定性仿真发现K<1, Rollet条件以及辅助条件不能同时满足，在晶体管的源级串联微带线TL1、TL2引入串联负反馈 ，可以提高晶体管的稳定性，电路如图3所示，在提高稳定性的同时，还可以使增益在高频端的损耗降低，使增益曲线趋于平缓。

图3 晶体管源端引入微带线串联负反馈

1.4 阻抗匹配电路设计

引入阻抗匹配网络，可以优化电路性能。低噪声放大器工作在1.434～2.747 GHz频率范围内，低噪声放大器应用于射频通信系统的前端，所以在输入端采用最低噪声阻抗匹配网络。输出端的匹配电路对噪声影响没有输入端大，输出端采用最大增益匹配网络[15]，可以提高电路增益。采用LC型匹配网络的电路如图4所示。

图4 单级放大器电路原理图

2 平衡放大器的仿真结果

低噪声放大器的单级电路设计完成，单级放大器的带宽性能并不是很好，将两个单级电路做成平衡式放大器结构 ，可以使电路具有较宽的带宽性能。

通过使用ADS仿真软件，如图5所示在1.434～2.747 GHz的工作频率范围内，稳定系数K的最小值为1.105>1，放大器电路无条件稳定，增益为15.5±2.25 dB。电路的噪声系数如图6所示，噪声系数为0.567±0.033 dB，各项指标均符合设计要求。

图5 低噪声放大器的增益和稳定系数

图6 低噪声放大器噪声系数

图7 输入端和输出端的反射系数

图7所示为输入端和输出端的反射系数，输入端的反射系数在工作频率范围内的最大值为-19.78 dB；输出端反射系数的最大值为-16.586 dB，可以明显看到平衡式放大器的输入端和输出端在1.434～2.747 GHz的工作频率范围内具有较小的反射，达到了设计指标。

3 结束语

本文设计了一款使用Avago公司生产的ATF-34143低噪声PHEMT晶体管的平衡式放大器电路，拥有从1.434～2.747 GHz的1.313 GHz的频率带宽，覆盖了中国三大运营商的所有4G频段，在提供较高增益的前提下，噪声系数仍然保持较低，可以广泛应用于现代宽带通信系统中。

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Balanced Broadband Amplifier of Cascaded Couplers Design

FU Kun，ZHU Honglei，LIU Wei，TONG Fei

(School of Automation,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710000,China)

Aiming at the demand of the communication data capacity of modern communication, the low noise amplifier of the front end of the receiver needs to meet the requirement of broadband design. The use of balanced amplifier structure and the optimization design of the coupler can reduce the cost of the product under the premise of meeting the broadband design specifications. Using the radio frequency simulation software ADS to simulate the design of the circuit, the results prove the feasibility of the theory. Balanced low noise amplifier design to achieve the 1.313Ghz from the frequency bandwidth of 1.434～2.747 Ghz, designed the noise coefficient of balanced wideband low noise amplifier gain of 0.567±0.033 dB, 15.5±2.25 dB, the maximum reflection input and output circuit are respectively -19.78 dB and -16.586 dB.

balanced;broadband;lange coupler;PHEMT;low noise;ADS

2016- 10- 09

西安邮电大学创新基金(CXL2014-36)

付鲲(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：射频微波电路。朱红雷(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：图像处理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.038

TN722

A

1007-7820(2017)08-138-04