基于電抗匹配的低噪聲放大器頻帶拓展技術(shù)

邢 君, 李暢游

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

在工程應(yīng)用上，設(shè)計(jì)者難免會(huì)遇到有放大器芯片不滿足設(shè)計(jì)所需帶寬的情況，可以利用已有近似頻段、指標(biāo)類似的放大芯片經(jīng)過(guò)阻抗匹配技術(shù)擴(kuò)展頻段使用。本文提供了一種新型頻段拓展技術(shù)，可將寬帶低噪聲放大芯片工作頻率顯著增加。經(jīng)理論和試驗(yàn)驗(yàn)證，該技術(shù)可應(yīng)用于HF/VHF頻段通信或電子對(duì)抗設(shè)備微波信號(hào)的接收、放大[1-2]。

1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

TQP3M9028芯片是一款被業(yè)界廣泛使用的低噪放芯片，其工作頻率為50 MHz～4 GHz，具備噪聲系數(shù)低、增益平坦度好、P-1高等特點(diǎn)，因此在LTE/WCDMA/EDGE/CDMA領(lǐng)域被廣泛長(zhǎng)期使用，而某工程中需要的放大電路工作頻率為20 MHz～4 GHz。由于關(guān)鍵指標(biāo)要求的限制，難以選擇到完全適合的芯片。對(duì)此，設(shè)計(jì)師嘗試采用新的設(shè)計(jì)手段，對(duì)價(jià)格低廉且性能優(yōu)異的TQP3M9028芯片進(jìn)行電路頻段拓展設(shè)計(jì)。

表1 指標(biāo)與需求對(duì)比

頻帶拓展設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵是匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配網(wǎng)絡(luò)要解決穩(wěn)定性、增益、駐波比等問(wèn)題。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于保持放大器的穩(wěn)定性。此案例中帶寬雖然僅推進(jìn)了30 MHz，但倍頻程擴(kuò)大了2.3倍，造成寬帶特性極易處于不穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是20～50 MHz頻段。

一個(gè)典型的放大電路包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、放大芯片、直流偏置和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，模型框圖如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)理論

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，放大器電路必須滿足在工作頻段內(nèi)穩(wěn)定。對(duì)于射頻電路這一點(diǎn)極其重要。若電路處于不穩(wěn)定態(tài)，則在某些頻率或終端條件下有產(chǎn)生震蕩的傾向。用k因子來(lái)衡量這一指標(biāo)[3]。絕對(duì)穩(wěn)定條件可以用k>1來(lái)描述。

(1)

|Δ|=|S11S22-S12S21|；

(2)

以絕對(duì)穩(wěn)定條件k>1為前提進(jìn)行有源電路的匹配設(shè)計(jì)。輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)主要對(duì)一端是50Ω、另一端是實(shí)部較小的復(fù)數(shù)阻抗進(jìn)行匹配。容性、低阻抗放大器芯片的等效匹配可以如圖2所示的方式[4]。

當(dāng)芯片的等效阻抗為感性、實(shí)部較小時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò)可以等效并聯(lián)電容，把等效阻抗中的電感分量諧振掉。

這款TQP3M9028的匹配電路，其電路搭建如圖3所示，匹配過(guò)程需要確定電感、電容值。芯片需要匹配的等效電抗：

其中，ω=2πf，C為電容，L為自感系數(shù)，f表示頻率。X不變的條件下，頻率越低，電感越大，電容越小[4-6]。利用仿真軟件ADS獲得電感電容的準(zhǔn)確匹配值。

3 軟件建模與仿真

在ADS軟件中導(dǎo)入TQP9028的S2P文件，搭建仿真電路，設(shè)置S參數(shù)仿真頻域范圍，并加入駐波及穩(wěn)定性系數(shù)仿真控件。

搭建好的原理圖如圖4所示。

由第2節(jié)的分析可以看出，若等效電抗為定值，則頻率越低匹配電容值越大而匹配電感值越小。通過(guò)優(yōu)化電感、電容值，設(shè)計(jì)得到了適合使用的匹配電路(見圖4)，即放大器兩端串接56 nF，電源供電到放大器輸出端串接8 μH電感。此時(shí)，在超出放大器使用范圍的頻率上仿真得到了較好的指標(biāo)。

得到仿真結(jié)果如圖5所示。

由仿真結(jié)果得到，放大器電路在20 MHz～4 GHz頻段增益13.7～17.2 dB，駐波小于1.6，k>1處于穩(wěn)定態(tài)。

4 實(shí)物與測(cè)試

射頻部分實(shí)物圖如圖8所示。

測(cè)試結(jié)果：增益13.5～17.4dB，駐波<1.8，1 dB壓縮點(diǎn)20.5 dBm，噪聲系數(shù)<2.9 dB。

測(cè)試與仿真結(jié)果相符，實(shí)物經(jīng)過(guò)-40℃～70℃溫沖、電老煉等基本環(huán)境試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)故障，實(shí)用有效，滿足任務(wù)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)阻抗匹配實(shí)現(xiàn)了一款低噪聲放大芯片的擴(kuò)頻使用，得到可滿足任務(wù)要求的實(shí)物。電路從設(shè)計(jì)到應(yīng)用過(guò)程周期短、成本低，應(yīng)用于電子對(duì)抗短波接收，實(shí)用性強(qiáng)，可類比設(shè)計(jì)性強(qiáng)。