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[导读]摘 要:低噪声放大器是接收机系统的重要模块。介绍了应用于P波段的低温低噪放大器的设计和调试方法,通过使用 PHEMT晶体管,按照最小噪声系数设计,采用两级级联,并引入源级负反馈和电阻并联负反馈来提高系统稳定性。在77 K温 度下,实测放大器增益大于30 dB,噪声系数低于0.5 dB,输入输出反射系数小于一15 dB。

引言

随着现代无线通信、微波测量、电子对抗等技术的高速 发展,一些工作特定环境下的接收机需要更高的性能要求。 高温超导接收机(High temperature superconducting receiver, HTS receiver)前端则以其高灵敏度、高选择性、极低噪声等 特点应运而生,高温超导接收机前端由高温超导滤波器和低温 低噪声放大器(Cryogenic Low Noise Amplifier,CLNA)组成。 CLNA作为接收机第一级有源器件,其噪声性能直接决定了 接收机的灵敏度。文献[1]显示,在常用通讯频段中,60 K低 温下的放大器噪声系数(Noise Figure,NF)较之常温下的噪 声系数下降约0.4 dB,这可极大提高通信的传输效率和质量。 目前,HTS receiver在雷达、通信、射电天文接收机中得到广 泛的应用。

近年来,通过低温冷却LNA中的高电子迁移率晶体管 (High Electron Mobility Transistor, HEMT)使得低噪声放大 器快速发展并大幅提高了其性能。但HEMT管难以在几百兆 赫兹频率范围工作的的同时达到较小噪声,亦是 工作在800 MHz及以上频率范围。本文根据设计要求,在 500〜700 MHz频率范围内设计出能优异的CLNA,这必须 权衡低NF、高增益,无条件稳定等因素,无疑增加了设计难度。 本文最终实现77 K液氮低温环境下:噪声系数小于0.5 dB, 增益大于30 dB,反射系数小于-15 dB。

1低温低噪声放大器的设计与仿真

1.1器件选择

由于器件在低温下的工作特性与常温环境下不同,通过 常规手段设计的常温低噪声放大器直接应用于低温环境中通 常不能满足设计要求。对于低温低噪声放大器的网络参数直接在低温下调整还难以实现,文献[2]给出了一种低温低噪声 放大器的预修正设计方案,综合利用仿真软件和实测结果来 获取晶体管的低温参数,进而进行设计。但是,本次我们并 没有提取低温参数,而是通过选取熟悉的器件,参考常温特 性及低温环境测试结果,预修正与验证设计。本次设计选用安 捷伦公司的增强型PHEMT器件ATF-54143,它不仅具有极低 的噪声与较高的增益,同时可以消除HEMT器件在低温下的 深电子陷阱效应。

1.2放大器稳定型设计

在理想放大器中S12为零,放大器会无条件稳定。但微波 晶体管存在内部反馈,晶体管的$12即表示内部反馈量,可能 导致放大器稳定性变差甚至自激,过高的增益亦会造成反馈 功率变大,导致不稳定[3]。因此设计放大器必须保证放大器 在工作频段内绝对稳定。放大器的绝对稳定条件是:

式中:"为晶体管的S参数,K称为稳定性判别系数,同时满 足上述两个条件才能保证放大器是绝对稳定的。通过ADS仿 真可以看出来ATF-54143在工作频段内并不是绝对稳定的。 对于潜在不稳定管子,常见的改善稳定性方法有:源级负反馈, 一般使用无耗感抗负反馈,实际电路中,常使用微带线Ls来 构成;输入、输出端口串并联电阻,用来抵消自激震荡引来的 负阻抗部分,但同时会导致噪声系数恶化。综合考虑管子特 性及设计要求,最终使用源级负反馈和阻性元件并联反馈结 构,反馈结构引入阻性元件Rf可以减少增益纹波、降低宽带 匹配难度,其引入的的噪声会随着温度减低得到显著下降。 本设计采用两级级联达到设计所需增益要求,通过PI型阻性 衰减器来提高级间隔离度。其电路结构如图1所示。

基于超导接收机前端的低温低噪声放大器设计

1.3放大器电路设计

放大器电路设计包括直流偏置设计,直流隔离设计,匹 配电路设计,版图联合仿真优化。

直流偏置设计包括了 PHEMT管的静态工作点及工作状 态的选取和偏置电路设计,本次设计选取3 V、60 mA工作点。 首要满足最小噪声的同时,依靠两级放大来提高增益。在保 证将偏置电压正确送入到PHEMT管脚的同时需要做到与交 流电路部分达到良好的隔离。在LNA电路设计中,使用隔直 电容G、C4来抑制直流偏置电压对前后级器件的影响。

匹配电路设计:低噪声放大器的噪声系数和放大电路的 匹配网络有着紧密的联系,二端口放大器噪声系数表达式为:

式中:Fmin表示晶体管噪声系数的最小值,rn为晶体管的等效噪声电阻,Γopt为最佳源反射系数,ΓS为源反射系数。由此可见,当Γopt=ΓS时,可实现最佳噪声匹配。因此放大器的第一级按照最小噪声设计同时适当兼顾驻波特性,输入端反射系数ΓS选Γopt附近,放大器第二级设计兼顾噪声和增益。根据ADS软件进行设计优化,添加微带与焊盘,联合仿真最后达到仿真结果如图4所示。

根据 ADS 仿真设计的版图制成 PCB 电路,使用村田0603 封装元件焊接。为了保证良好的接地,PCB 使用大量过孔安装到屏蔽盒地板上,屏蔽盒采用黄铜材料,最终制作的LNA 实物如图 2 所示。

2 电路调整及实测结果

将放大器置于 77 K 温度的液氮环境中,初次测试结果与

设计有不小偏差,这一方面是由于分立元件的离散性和焊接引起的各种寄生参数影响,另一重要原因是晶体管在低温环境下性能参数的显著变化。在低温环境中,晶体管的 V ~ I 特性会发生变化,首先我们需要增加栅极电压来维持晶体管的漏极电流,保证放大器工所需的偏置条件,测试显示恶化严重的输入驻波得到了改善。 在保证低噪声的情况下,我们根据实测低温 S11 与 NF 情况,结合灵敏度分析,发现图 1中反馈电阻 Rf 的值直接关系输入驻波和噪声。液氮环境中,增大 Rf 可以减小噪声,但会恶化输入驻波,减小 Rf 改善了驻波但会恶化噪声,权衡整个设计,我们选择了一个最优的 Rf 值,最后使得噪声与驻波均达到了设计要求。最终实现的放大器测试结果如图 3 ~图 6 所示,由图 3 可见放大器在低温下的噪声系数下降约 0.5 dB,极大地提高了放大器的性能。

参考其仿真结果,我们发现由分立元件焊接的放大器性 能易出现恶化,增益减小驻波变差等,这说明在仿真时候添 加冗余量的重要性。由常温和低温测试结果图发现,按照最 小噪声兼顾输入驻波匹配的电路在低温环境下,其器件特性 的变化使得之前的匹配并不是在最优点,这就造成了 Sn的部 分恶化,我们需要根据模拟结果,结合常温、低温调试来修 正电路模型,最终实现电路设计。

3结语

本文介绍了 P波段低温低噪声放大器的设计和调试过程, 对出现的问题进行了分析与说明,并成功制备LNA样品,对 各项指标分别在常温和低温下进行测试,很好地完成了设计目 标,低温下优良的性能达到超导接收机前端的要求。

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