X波段宽带低噪声放大器设计

 

　　在通信系统中， 衡量通信质量的一个重要指标是信噪比， 而改善信噪比的关键就在于降低接收机的噪声系数。一个具有低噪声放大器的接收机系统， 其整机噪声系数将大大降低， 从而灵敏度大大提高。因此在接收机系统中低噪声放大器是很重要的部件。

　　1 电路仿真设计

　　该项目的微波低噪声放大器是利用微波低噪声场效应管在微波频段进行放大。特别需要注意的是， 因为场效应管都存在着内部反馈， 当反馈量达到一定强度时， 将会引起放大器稳定性变坏而导致自激， 改善微波管自身稳定性采取的是串接阻抗负反馈法， 在场效应管的源极和地之间串接一个阻抗电路， 构成负反馈电路。实际的微波放大器电路中反馈元件常用一段微带线代替， 相当于电感性元件负反馈， 这样对电路稳定性有所改善。

　　1. 1 确定电路形式

　　噪声系数是低噪声放大器的重要技术指标之一， 低的噪声系数与低的输入驻波在低噪声放大器的设计中是一对矛盾。该项目低噪声放大器在设计中摒弃了通常为实现低输入驻波采用输入加隔离器的方法， 采用负反馈放大电路。负反馈放大电路具有频带响应宽、输入输出驻波小和稳定性好等特点。

　　利用PHEMT 芯片， 应用混合集成工艺进行设计， 在宽频带范围内实现了低噪声系数和低驻波特性。

　　器件的选用恰当与否直接关系到性能指标的优劣， 宽带低噪声放大器最关键的器件就是放大器的基础——GaAs PHEMT 芯片。为满足高增益指标，GaAs PHEMT 应具有尽可能高的跨导; 同时， 为了满足低的噪声系数， GaAs PHEMT 自身的噪声系数应尽可能低; 由于型谱产品频段较高， 为了避免分布参数带来的影响， 同时减小体积， GaAs PHEMT 选择采用管芯。

　　该项目为了兼顾噪声和增益， 所以采用2 级放大。第1 级放大器的设计必需是最佳噪声设计， 即输入匹配网络必需是最佳噪声匹配网络， 不必追求最大增益; 第2 级放大器保证输出功率和总增益。

　　1. 2 第1 级放大器的仿真设计

　　经过选择该项目第1 级使用Fujits 的FHX13X,其噪声特性比较好， 使用2 个场效应管来进行并联放大设计。并联放大器的好处在于它的低噪声特性， 而且容易进行匹配。为了改善稳定性， 第1 级放大器的2 个源极和地之间各串联一个RLC 谐振电路， 并且加入负反馈， 在栅——漏之间加入RL 串联的反馈电路， 这样虽然会降低增益， 增加噪声， 但是会对电路的稳定性， 增益平坦度， 宽带的实现， 输入输出驻波比有很大改观。

　　利用软件进行仿真的结果如图1 所示。

　　

 

　　图1 输入输出反射系数仿真结果

　　如图1 所示输入输出阻抗均完美的匹配好， 输入输出反射系数在7 ~ 8 GHz 的频带内均小于- 15 dB, 在匹配的中心点7. 5 GHz 其更是达到了- 35. 322和- 44. 042, 可以说匹配相当好。

　　如图2 所示， 噪声在7~ 8 GHz 的范围内低于1. 1 dB。增益在7. 5 GHz 的时候为13. 954, 与预估值13. 955 相差无几， 且增益平坦度小于1 dB。

　　这样就完成了第1 级设计， 输入输出阻抗完美匹配， 噪声小于1. 1 dB, 且有良好的增益为13. 954 dB。

　　

 

　　图2 第一级噪声系数和增益仿真结果