一种适用于卫星通信的低噪声放大器设计

刘其强，于 祥，陶辉华

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014）

0 引言

在卫星通信系统中，矩形波导有较低的差损特性。在天线溃电网络、接收机等设备中，矩形波导作为三维结构的无源器件，得到广泛使用。有源电路如固态芯片一般是基于二维微带电路设计，在有源电路和无源波导集成的系统中，需要二维结构和三维结构之间的过渡，一般采用波导微带过渡的形式。

说到卫星通信，不得不说接收机，它是卫星通信下行链路建立的关键设备，接收机的噪声系数指标和天线的增益指标，直接决定系统的G/T值。而G/T值是衡量卫星通信系统下行链路的关键指标，决定系统接收信号的好坏，决定系统接收质量的好坏。接收机设计的关键就是低噪声放大器的设计，而低噪声放大器设计的关键，就是噪声系数指标和输入驻波特性。

低噪声放大器设计，需要根据低噪声管的管芯阻抗特性参数，设计相应的输入匹配以及相应的噪声匹配。设计一种匹配，设计起来比较容易实现，难就难在怎么把输入匹配和噪声匹配都设计好[1]。实现噪声匹配的时候，输入匹配也不差，这是一个矛盾的两个参数，往往把一个指标匹配好了，另一个指标要变差，反之也是如此。所以设计时需要找到一个平衡点，让两者离最佳匹配点尽可能近，两者的指标都可以接受。

本文给大家介绍一种适用于卫星通信的Ku扩展频段低噪声放大器，采用波导到同轴再到微带线的形式设计无源过渡部分；采用最佳噪声匹配，同时优化输入匹配，设计有源放大部分。

1 低噪声放大器设计

低噪声放大器设计原理图如图1所示。它由两部分组成：一个是无源电路部分—— 波导同轴微带过渡；另外一个是有源电路部分—— 低噪声放大。无源电路实现波导三维结构与微带平面二维结构之间的过渡；有源电路实现对高频微弱信号的低噪声放大。

图1 低噪声放大器设计原理图

在三维高频电磁仿真软件 HFSS里，建立了一种波导同轴微带探针过渡的 HFSS仿真模型，如图 2（a）所示，波导选用 WR-75标准波导。该模型在波导的E面中心插入同轴探针，通过调整同轴探针距波导短路面的距离、同轴探针插入的深度、同轴探针的尺寸等参数，优化端口输入驻波。

建模时，选用 20 mil厚度的 RO3003作为基板材料，选用聚四氟乙烯作为绝缘子，选用铜作为导体材料。将绝缘子的高度设置为 2 mm，绝缘子的直径设置为参数fei1，将探针的直径设置为参数 fei2，探针的高度设置为参数 h1，将波导短路面与探针的距离设置为参数 s。在HFSS中，改变各参数值，优化端口输入驻波。

优化后的端口输入驻波曲线如图 2（b）所示。在频率11.0 GHz-14.0 GHz的频带范围内，端口输入驻波小于 -20.0 dB。该模型可以将矩形波导中的 TE10模过渡到微带线的准 TEM波，性能良好。表 1列出了优化后的各参数值。

图2（a）探针过渡模型

图2（b）端口输入驻波曲线

表1 各参数值（单位：mm）

在电路仿真软件 ADS中建立低噪声放大器的仿真模型，如图 3（a）所示。添加低噪声放大器设计常用的功能控件，如稳定性因子、频率扫描等。该低噪声放大器采用 3级低噪放管的结构形式：第一级的输入采用最佳噪声匹配，第一级和第二级间考虑最佳噪声匹配同时兼顾输入匹配，第二级和第三级间考虑最大增益匹配同时兼顾输出匹配，第三极输出匹配考虑最佳输出匹配[2]。在设计输入匹配时，把波导同轴微带转换、输入匹配网络在 HFSS中建模，仿真优化结果导成 s2p文件[3]，在ADS中建模引用，进行联合仿真。在高频，尤其到 Ku频段或 Ka频段，必须把影响输入匹配的各种因素考虑进去，包括结构的、空间耦合的等因素。根据以往的设计发现，这样设计仿真的结果和实际的测试结果吻合度较高。

在频率 11.45 GHz-12.75 GHz的频带范围内，输入驻波小于 -19.8 dB，如图 3（b）所示；噪声系数小于 0.60 dB，如图 3（c）所示；增益大于 34.25 dB，如图 3（d）所示。从仿真曲线看，该设计能够很好的满足使用要求。

根据仿真模型进行结构设计，绘制 PCB图。进行结构设计时，考虑腔体的独立性，为了防止信号从一个腔体串扰到另一个腔体，防止自激产生，应该采取如下措施：

（1）设计 3个小腔，每个腔体里放置一级放大器；腔体之间通过隔直电容连接；腔体盖上贴吸波材料。

（2）上下层分腔，电源板置于上层腔体，射频板置于下层腔体。

图3（a） ADS仿真模型

图3（b） 输入驻波曲线

图3（c） 噪声系数曲线

图3（d） 增益曲线

（3）腔体的自有频率尽量高，远离有用频率。根据以上仿真模型和 PCB、腔体设计的注意事项，制作出了实物，图 4给出了 Ku扩展频段低噪声放大器的实物图。该实物的外形尺寸是：60 mm×38 mm ×38 mm。输入采用标准矩形波导，型号 WR75；输出接口采用玻珠烧结，外接 2.92-K接头。

图4 Ku扩展频段低噪声放大器实物图

2 测试分析

利用矢量网络分析仪构建测试环境、测试增益和输入驻波特性。在卫星接收Ku频段内，端口输入驻波小于 -17 dB，增益大于29.3dB，如图 5（a）所示。

利用噪声系数分析仪，构建测试环境，测试噪声系数特性。在接收频带内噪声系数小于 1.03 dB，减去接头损耗 0.2 dB，真实值小于 0.80 dB，如图 5（b）所示。

从实测曲线可以看出，设计的 Ku扩展频段低噪声放大器具有带宽大、噪声低、端口输入驻波优的特点。

图5（a）矢网实测曲线

图5（b）噪声仪实测表

3 结束语

本文设计的扩展频段低噪声放大器，适用于 Ku频段卫星通信。在卫星接收 Ku频段内，端口输入驻波小于 -17 dB，噪声系数小于 0.80 dB，实测值和仿真值吻合度较好。该设计频带宽大、噪声低、输入驻波优，在卫星通信地面接收系统中，具有一定的实用价值；该设计可以用于 Ku频段卫星通信的接收机、收发信机等产品中，有一定的推广价值；本文介绍的设计方法，对 Ka频段的低噪声放大器的设计，有一定的借鉴意义。