微带结构的高增益低噪声放大器的设计

2023-02-07王昌皓熊祥正

现代电子技术 2023年3期

王昌皓，熊祥正

（西南交通大学，四川成都 610031）

0 引言

低噪声放大器（LNA）作为射频接收前端的关键部件，其稳定性、噪声系数、增益、增益平坦度等参数的优劣将直接决定整个射频接收系统的性能[1-2]。在20世纪30年代以前，器件生产工艺落后，导致通信系统的发展也严重受限。之后，先进的GaAs FET和MESFET（Metal-Semiconductor FET）技术在微波混合集成放大器和电路中得到应用。到20世纪80年代，基于Si和GaAs技术的MMIC技术广泛应用于雷达、卫星通信、电子作战等领域中，在通信系统的发展中起了重要作用。高电子迁移率晶体管HEMT及异质结双极型晶体管HBT的出现和GaAs工艺的成熟，为MMIC的发展奠定了基础。2005年，B.韦尔奇等人研制出了SiGe BICMOS技术的20 GHz低噪声放大器（LNA），采用有源巴伦，LNA可实现接近7 dB的增益和4.9 dB的噪声系数[3]。2022年，张博等人采用0.5µm GaAs E-PHEMT工艺设计了一款0.5～5 GHz三级共源结构高增益宽带低噪放，其输入输出阻抗匹配运用了负反馈技术，最终增益[4]达到36.6 dB。

对于LNA的设计，最主要的是对于晶体管的选择和匹配网络的设计。本文将通过稳定性分析、直流及偏置电路的设计、匹配网络的设计以及误差分析四个方面来介绍低噪放的设计过程，并对比了两种匹配网络的性能优劣，最终设计出的低噪放结构简单、尺寸小；增益高达25.5 dB，增益平坦度在±1.5 dB以内；噪声系数优于0.6 dB，输入输出驻波比均小于1.9。为放大器的设计提供了一种可供参考的方法。

1 稳定性分析

1.1 绝对稳定的充要条件

二端口网络可通过三种方式判定其是否处于绝对稳定状态[5]，首先定义一些表达式：

以下三个等价条件中任何一个得到满足时，则判定该二端口网络处于绝对稳定状态：

而在ADS中，可以使用Mu控件来判断晶体管或电路结构的稳定性。

1.2 潜在不稳定情况

在一些放大电路的设计中，若出现 |ΓS|，|ΓL|选择不当，从而导致 |Γin|＞1或者 |Γout|＞1的情况，使得稳定性条件被破坏，这就属于潜在不稳定的情况。这种情况下，可以通过调节信号源内阻ZS和负载阻抗ZL，使输入回路总电阻和输出回路总电阻均为正值，从而使放大电路回到稳定状态。

改善晶体管稳定性的主要方法有：在输入输出电路中增加纯电阻、引入负反馈、加入铁氧体隔离器、加入稳定衰减器、使用低端增益衰减网络等。

1.3 NE3511S02晶体管稳定性分析

在ADS软件中，通过NE3511S02晶体管的S2P文件来仿真其稳定性。NE3511S02晶体管结构如图1所示。

图1 NE3511S02晶体管

通过Mu控件，得到NE3511S02晶体管的稳定性如图2所示。

图2 NE3511S02晶体管的稳定性

在频带范围内，晶体管的稳定性因子Mu并不是全部大于1的，因此晶体管是潜在不稳定的。

1.4 稳定性设计

采用在源极串联负反馈的方法改进晶体管稳定性，如图3所示。在源极串联一段短路微带线，形成负反馈，再经过ADS软件的优化功能，设置优化范围和目标，从而得到合适的微带线长度和宽度，这样就能够保证晶体管在频带范围内是绝对稳定的。

图3 晶体管稳定性改进

优化仿真后所得结果如图4所示。从图中可以看出经过优化，晶体管的稳定性因子在频带范围内都是大于1的，晶体管处于绝对稳定状态，因此，这种方法改进晶体管的稳定性是可行的。

图4 优化后的稳定性因子

2 直流工作点扫描和偏置电路

2.1 直流工作点扫描

直流偏置网络能够为晶体管提供一个合适的静态工作点，还可以降低各种干扰因素，如环境温度、电源电压、晶体管参数离散等对放大电路的影响。

首先，对晶体管传输特性进行分析。综合此种晶体管的S2P文件，采用VDS=2 V，IDS=10 mA的静态工作点，其直流特性如图5、图6所示。

图5 晶体管直流特性测量电路

图6 直流特性曲线

2.2 偏置电路的设计

放大电路中偏置电路的作用可以用以下几点概况：

1）提供管子所需要的稳定电压和最大的电流值；

2）在放大其工作频带范围内，保证管子稳定工作；

3）去耦滤波，滤除晶体管产生的各种高低频信号和谐波信号；

4）隔离信号。

利用ADS软件设计的偏置电路如图7～图9所示。

图7 DA_FETBias自动生成的偏置子电路

图8 完整直流偏置电路

图9 仿真结果与理论结果的比较

从图9可以看出，仿真结果与理论结果基本吻合，因此上面设计的直流偏置电路是可以使用的。

3 匹配网络的设计

当负载阻抗与源阻抗共轭匹配时，能够实现最大功率的传输，实现共轭匹配的方法就是在源和负载之间插入一个无源的匹配网络[6]。由前面的仿真结果可以看出，一个晶体管所带来的增益不够，为实现较高的增益，需要两级晶体管级联。因此本次设计主要是解决输入输出端口的匹配和两级间的匹配。

3.1 级间匹配网络的设计

通常，对于级间匹配网络，有以下几点要求[7]：

1）增益匹配，能够使第二级晶体管获得足够大的增益，也使整个放大电路增益满足设计要求。

2）噪声尽量低。

3）要兼顾第一级的输入驻波比和第二级的输出驻波比。

典型的级间匹配形式有以下几种：

1）一段微带线匹配，优点是尺寸较小、结构紧凑，但只适用于窄带匹配。

2）多节微带线级联，这样可以获得更好的匹配，且适用于宽带。

3）直接移相的级间匹配网络，其移相段折成耦合线，其平行部分跨接片状电容来隔直流。

为获得良好的匹配和较宽的频带，本次设计选取第二种拓扑结构，其结构如图10所示。

图10 级间匹配网络示意图

3.2 输入输出匹配的设计

常见的输入输出匹配结构有并联枝节匹配和高低阻抗匹配两种。文献[8]将并联枝节匹配结构应用于带阻滤波器的匹配结构当中。文献[9]通过并联枝节匹配来设计一款宽阻带低通滤波器。文献[10-12]将高低阻抗匹配结构应用于低通滤波器设计当中，都获得了不错的匹配效果。文献[13]将一种用串联微带线和并联微带枝节组成的双波段匹配网络应用到低噪放的设计中。下面分别将两种匹配结构进行仿真优化，并对比它们的性能优劣。

3.2.1 并联枝节匹配的设计

输入端并联枝节匹配的结构如图11所示。