Ka波段微带低噪声放大器的设计

单伟 电子科技大学物理学院 四川成都 610054

1 设计目标

Ka波段微带低噪声放大器设计：频率：32-38GHz，噪声系数≤4dB，增益≥20dB，输入、输出回波损耗≤-10dB。

2 低噪声放大电路的设计与仿真

2.1 低噪声器件的选取

根据设计指标，要在32-38GHz内实现NF≤4dB，增益G≥20dB，输入、输出回波损耗小于-10dB。由于该低噪声放大器的工作频段很高，且要求的噪声系数较低，增益较高，综合考虑，最后选择了Ommic工艺库里的 FD01PHONL1PA这款大信号pHEMT管。这款pHEMT 管工作频带从直流到45GHz，工作频带极宽。

2.2 低噪声放大器的设计结构

为了实现该低噪声放大器在工作带宽内其增益≥20dB，采用该pHEMT管三级级联的电路结构，且在每一级的前级做输入匹配网络，使获得最佳噪声反射系数；在每一级的后级做输出匹配电路，实现功率传输和高增益。级间串联较大的隔直电容，防止前级晶体管的漏级直流偏压对后级晶体管栅压的影响。在第3级输出匹配电路端串联一个高通滤波器实现增益平坦性，末端电阻网络用以调节输出驻波比。

2.3 直流偏置电路的设计与仿真

为确定该pHEMT管的直流偏置点，应用Ommic工艺库提供的直流分析模版FET DC Tracing 对pHEMT管进行直流扫描分析。图1为其直流仿真结果I-V Curves曲线。

图1 Devic I-V Curves 曲线

由直流仿真结果知，晶体管工作的直流偏置为VDS=3V，VGS=-0.35V，IDS=20mA。本课题要求的 Ka 波段低噪声放大器，噪声指标尤为重要，所以经过综合考虑后，在设计偏置电路时预采用双电源供电的形式对低噪声晶体管进行供电，为此要分别设计栅极跟漏极偏置电路。漏极偏置电路的作用除了为低噪声晶体管提供恒定的漏极正电压和漏极电流之外，还要隔离射频信号泄露到漏极的直流电源处；栅极偏置电路的功能是提供恒定的栅极负电压之外，遏制漏极到栅极的信号。

2.4 匹配电路的设计与仿真

放大器的输入匹配一般有两种方式，一种是按最小噪声匹配，另一种是按最大功率传输匹配。一般很难同时实现最小噪声与最大增益，因此在设计低噪声放大器的时候必须折中考虑，同时兼顾噪声与增益的性能。对于课题要求噪声系数≤4dB，增益≥20dB，所以首先要使每一级输入端对放大器呈现一定的源阻抗，接近最佳噪声匹配，以获得良好的噪声系数，一般情况下找到中心频率输出阻抗以备每一级电路的输出匹配，在每一级的输出端，一般是按最大功率传输匹配。

2.5 pHEMT管级联设计与仿真

仿真分析知每一级电路的增益在7-8dB。为了实现该低噪声放大器在工作带宽内其增益≥20dB，采用该pHEMT管三级级联的电路结构。为提高该放大器的增益平坦性，故考虑在第三级电路的输出端加一高通滤波器，用以调节该低噪声放大器的增益平坦。在输出端串联一π型衰减网络，用以调节输出驻波比。将该高通滤波器以及π型衰减网络串联到第三级pHEMT管的输出端，得到的低噪声放大器原理图如图2所示。

图2 LNA原理图

优化完成后的仿真结果如图3所示。在32-38GHz的工作范围内，噪声系数≤4dB，带内增益为21.8dB，输入、输出回波损耗≤-10dB，满足设计指标。

图3 LNA仿真结果

3 总结

本文采用Ommic公司提供的一款pHEMT管—FD01PHONL1PA，为实现在工作带宽32-38GHz内，其增益≥20dB，采用晶体管三级级联的电路结构，并在第3级输出匹配电路端串联一个高通滤波器实现增益平坦性，末端电阻网络用以调节输出驻波比。整个设计较好的达到了指标要求，实现了在32-38GHz的工作频率范围内，噪声系数≤4dB，增益≥20dB，输入、输出回波损耗≤-10dB。