Ku波段低噪聲放大器設(shè)計(jì)

吳成才　鞏　莉　于慶法　梁青云（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京　100854）

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Ku波段低噪聲放大器設(shè)計(jì)

吳成才鞏莉于慶法梁青云
（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京100854）

摘要首先，簡單介紹了微波低噪聲放大器（LNA）的研究背景，分析LNA設(shè)計(jì)的重要現(xiàn)實(shí)意義；然后，描述了LNA設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，以及實(shí)現(xiàn)的方式和要求，提出了LNA設(shè)計(jì)的基本思路；最后，設(shè)計(jì)出了一款適應(yīng)某動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的LNA，包括電路模型建立、射頻電路仿真、PCB電路板實(shí)現(xiàn)及相關(guān)測試。仿真及測試結(jié)果表明，該LNA設(shè)計(jì)方案達(dá)到了預(yù)定設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞低噪聲放大器，偏置電路，阻抗匹配，電磁仿真

引言

微波低噪聲放大器（LNA）是現(xiàn)代無線通信、衛(wèi)星收發(fā)設(shè)備、雷達(dá)、電子對抗，以及遙測遙控接收系統(tǒng)等的關(guān)鍵部件。LNA作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)中重要的有源電路，其性能對整個接收系統(tǒng)的靈敏度、噪聲范圍和動態(tài)范圍有著重要的影響，因此，開展LNA設(shè)計(jì)研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　LNA設(shè)計(jì)思路及要求

1.1基本設(shè)計(jì)思路

LNA的實(shí)現(xiàn)一般需要經(jīng)過以下幾個步驟：①根據(jù)系統(tǒng)要求明確設(shè)計(jì)指標(biāo)；②根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)選取放大晶體管；③確定晶體管直流工作點(diǎn)；④根據(jù)直流工作點(diǎn)確定偏置電路設(shè)計(jì)；⑤判定及改善晶體管穩(wěn)定性；⑥實(shí)現(xiàn)噪聲及增益匹配電路；⑦仿真優(yōu)化實(shí)現(xiàn)預(yù)期指標(biāo)；⑧PCB繪制與投板。其中，④、⑥是LNA設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，正常情況下，由于仿真與現(xiàn)實(shí)存在差距，以及加工工藝的不確定性，投板回來的LNA還需要經(jīng)過多次調(diào)試與①～⑧的反復(fù)設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1.2晶體管選取與穩(wěn)定性判定

該LNA設(shè)計(jì)選取NE3210S01場效應(yīng)晶體管（FET），其相關(guān)參數(shù)可以從廠家提供的數(shù)據(jù)表（Data sheet）中獲取，如S參數(shù)、噪聲性能等參數(shù)文件，可以用記事本將這些參數(shù)按照一定的格式寫入，保存為S1P/S2P文件，然后用ADS軟件中Data Items面板中的S1P/S2P模板引用這些文件，該模板就可以作為晶體管的一個S模型進(jìn)行電路仿真。晶體管的參數(shù)將決定晶體管是否穩(wěn)定，以及晶體管的匹配設(shè)置。

穩(wěn)定性由下式?jīng)Q定：

當(dāng)|Δ|<1且k>1時(shí)，認(rèn)為晶體管是絕對穩(wěn)定的。

1.3直流偏置點(diǎn)確定與偏置電路

晶體管直流工作點(diǎn)由ADS（先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)）直流仿真及NE3210S01的Data sheet提供的數(shù)據(jù)表共同確定，其直流工作點(diǎn)選為VDS=2V，IDS=10mA。

為FET晶體管提供穩(wěn)定的工作電壓是偏置電路設(shè)計(jì)的目的與原則，不同的晶體管、不同的直流工作點(diǎn)或不同的系統(tǒng)都會導(dǎo)致偏置電路的設(shè)計(jì)存在差異。

1.4阻抗匹配

設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是設(shè)計(jì)功率放大器的關(guān)鍵步驟。在任何一個射頻功率放大器設(shè)計(jì)中，錯誤的阻抗匹配將使電路不穩(wěn)定，同時(shí)可能會使電路效率降低和線性度變差。匹配電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足匹配、諧波衰減、帶寬、駐波、線性度，以及實(shí)際尺寸等多項(xiàng)要求。設(shè)計(jì)多級功率放大器，除了設(shè)計(jì)輸入、輸出匹配電路外，還要設(shè)計(jì)級間匹配電路。在功率放大器設(shè)計(jì)中，輸入和輸出匹配電路基于特定的匹配功能而遵循不同的設(shè)計(jì)原則。阻抗匹配電路是LNA設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容和主要技術(shù)難點(diǎn)，不同的晶體管或不同的技術(shù)指標(biāo)要求都可能導(dǎo)致阻抗匹配設(shè)計(jì)存在差異，阻抗匹配電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定著LNA技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣。

匹配網(wǎng)絡(luò)的確定有兩種方式，一是直接根據(jù)晶體管廠商提供的噪聲參數(shù)與S參數(shù)確定匹配網(wǎng)絡(luò)，二是根據(jù)ADS中晶體管S參數(shù)仿真獲得，在LNA參數(shù)誤差允許范圍內(nèi)，兩種方式確定的匹配網(wǎng)絡(luò)都是可取的。本文采用第二種方式來確定匹配網(wǎng)絡(luò)。

2　LNA實(shí)現(xiàn)

2.1設(shè)計(jì)指標(biāo)

表1　LNA設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2電路實(shí)現(xiàn)

LNA原理圖仿真通過射頻仿真軟件ADS完成，原理圖及版圖如圖1所示。LNA仿真優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。LNA PCB版圖如圖3所示。

圖2　LNA仿真優(yōu)化結(jié)果

圖3　LNA　PCB版圖

圖1　LNA原理圖（左）及版圖（右）

仿真結(jié)果表明，在工作頻帶（11.7 GHz～12.75GHz）內(nèi)，噪聲系數(shù)NF<0.8dB，增益大于22dB，增益平坦度優(yōu)于1dB，輸入輸出端口大都在2以下。因此，所設(shè)計(jì)的LNA的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.3電路板實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的LNA電路板主要具有以下8個特點(diǎn)：①采用對稱結(jié)構(gòu)；②電路結(jié)構(gòu)緊湊；③輸入端采用垂直過渡方式；④輸出端采用單端供電模式；⑤設(shè)置了大量接地孔；⑥電路由偏置電路和高頻電路組成；⑦高頻電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜；⑧阻抗匹配采用單支短截線方式。其中，特點(diǎn)①～④是LNA為適應(yīng)某整體系統(tǒng)而提出來的要求；特點(diǎn)⑤旨在加強(qiáng)正面電路的通地性及板子的強(qiáng)度（板子厚度為20mm，沒有金屬的情況下柔軟易變形）；特點(diǎn)⑥～⑧是LNA設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，偏置電路通過輸出端口單端供電，高頻電路部分由若干功能電路級聯(lián)組成，每一部分都有自己獨(dú)特的功能，進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)時(shí)需先單獨(dú)設(shè)計(jì)每一部分，然后再級聯(lián)成整體進(jìn)行仿真。

3　測試

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和噪聲儀對LNA輸入輸出駐波、增益、增益平坦度、噪聲系數(shù)進(jìn)行測試。其中，輸入駐波測試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，11.7GHz～12.75GHz間：輸入駐波大都小于2，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4　輸入駐波

輸出駐波測試結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，11.7GHz～12.75GHz間：輸出駐波都小于2，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5　輸出駐波

增益及增益平坦度測試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，11.7GHz～12.75GHz間：增益在20dB左右，增益平坦度在頻帶內(nèi)基本滿足設(shè)計(jì)要求（<2dB）。

圖6　增益及增益平坦度

噪聲系數(shù)測試結(jié)果如圖7所示。圖7中可以看出，11.7GHz～12.75GHz間：A號板兩路（H路與V路）噪聲系數(shù)低于1.6，噪聲系數(shù)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖7　A號板兩路噪聲測試值

以上測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的LNA主要技術(shù)指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)束語

本文詳細(xì)、全面地介紹了LNA的設(shè)計(jì)思路及要求，針對某衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要，提出了所需設(shè)計(jì)LNA的主要技術(shù)指標(biāo)，并明確了設(shè)計(jì)思路，建立了LNA電路模型并進(jìn)行了電磁仿真，仿真結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求，最后，根據(jù)仿真模型繪制了PCB電路板，電路板實(shí)測結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的LNA主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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Design of Ku-Band Low Noise Amplifier

Wu ChengcaiGong LiYu QingfaLiang Qingyun
( Beijing Aerospace GuangHua Corporation, Beijing100854 )

AbstractFirstly，the research background of microwave low noise amplifier （LNA） is introduced，and the important practical significance of LNA design is pointed out. Then，the key points of LNA design，and the design method is proposed. Lastly the LNA design, including circuit model, RF circuit simulation, PCB circuit board and related testing is described in detail. And the simulation and testing results show that the design can satisfy the requirements.

KeywordsLow noise amplifier，Bias circuit，Impedance matching，Electromagnetic simulation

文章編號：1009-8119（2016）05（1）-0050-03