適合批量生產的低噪聲放大組件設計

陳 荻，黃曉華，梅 亮

（中國電子科技集團公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

低噪聲放大器（LNA）是現代雷達、射頻通信、電子戰系統中的重要部件，在接收系統中它總是處于前端的位置，對整個系統接收的微弱信號進行放大，并降低噪聲的干擾，對整個接收系統的接收靈敏度和噪聲性能起著決定性作用[1]。隨著高可靠相控陣雷達的廣泛應用，接收支路中低噪聲放大器的需求也日益增大，設計出集成度高且適合批量生產的低噪聲放大器非常重要[2]。本文通過對低噪聲放大器的正交橋、FET偏置、電壓轉換等要素的設計優化，充分考慮放大器的可制造性和高可靠性，研制出集成度高、可制造性佳、一致性好的S波段低噪聲放大組件，有效滿足了相控陣雷達系統的各項要求。

2 電路設計

2.1 電路原理

放大器主要技術指標有噪聲系數、增益、駐波、動態范圍等。噪聲系數與增益在指標實現上相互矛盾，實際應用中應該折中考慮，理論依據是：在保證放大器穩定的前提下，采用等噪聲系數圓和等增益圓尋找一個最佳工作點。

放大器要滿足較好的回波損耗、較低的噪聲系數、良好的幅頻特性、一致性好等要求，綜合考慮選擇平衡式結構[3]。平衡式放大器能較好地改善增益平坦度，獲得較低的回波損耗，阻抗匹配性能優良，并可獲得較高的輸出能力，放大器組件原理如圖1。

圖1 放大器組件原理框圖

2.2 正交橋的選擇

正交橋也叫3dB耦合器，常用的正交橋有兩種：交叉指型電橋[4]和分支電橋[5]。交叉指型電橋又稱為Lange橋，在微波集成電路中有很廣泛的應用，它的頻帶可以做到倍頻程或略寬，但是其中細長的交指耦合線與窄小的耦合間距，一般的印刷工藝很難滿足其精度要求；分支電橋設計和制作都相對簡單，電橋每臂長度為λg/4，λg為平均頻率的微帶波長，一般的印刷工藝即能滿足精度要求，但頻帶較窄。考慮到組件帶寬約為10%，綜合性能、工藝、生產效率等多方面因素，選用分支型電橋。通過運用奇偶模理論對電路的性能進行分析，并運用計算機仿真得到了體積小、插入損耗低、性能優的圓環分支電橋。

2.3 限幅開關衰減器

在有收發功能的組件中，為了防止發射功率泄露對前置低噪聲放大器的損壞，需設計一個合適的限幅器[6]。PIN管限幅器分為串聯和并聯兩種形式，由于并聯形式具有插入損耗小、散熱好等優點，實際應用較多。由于單只PIN管自身的限幅能力有限，實際使用多采用級聯的方式實現限幅能力強、反應靈敏度高的限幅器。二極管的功率容量和反應時間與本征層厚度有關，本征層厚，承受功率較大，本征層薄，靈敏度高。PIN管外加直流電流，本征層阻抗降低，PIN管導通，信號衰減，可以實現開關衰減功能[7]。所以選擇本征層較厚的PIN管作為前級，耐受較高的功率；本征層較薄的PIN管作為后級，獲得良好的門限電平和快速響應。電路原理圖如圖2所示。

2.4 FET的偏置

場效應管的偏置方式有單電源（自偏置）及雙電源形式[8]。本次設計采用雙電源形式，并利用三極管的特性有效地使FET的工作狀態一致，是一種自適應的偏置電路。偏置電路原理圖如圖3所示。

圖2 限幅開關衰減器原理圖

圖3 有源偏置原理圖

不難看出，Vds≈Vb+0.6V，Id=（5-Vds）/Rd，Vg通過Q1可以自動調整到合適的值，而Vb可以通過Rb1及Rb2確定[9]。采用這種偏置電路，即使場效應管工作點的離散性及批次性差異很大，也能夠保證每個FET有一致的工作點，無需調整電路元器件參數。使用該方法能自動調整FET工作點、一致性好，省去FET管工作點調試步驟，減少因FET管工作點差異引起的其他指標的不一致，從而大大提高調試生產效率。

2.5 電壓轉換

由于采用了雙電源偏置，組件電源部分需增加電壓轉換這個功能電路。由于FET工作時柵電流很小，所需的負電流也很小，設計采用單穩觸發器組成正負變換電路。正負變換電路的電原理圖如圖4所示。

單穩觸發器與R、C構成振蕩電路[9]。振蕩頻率約為2/RC，設計頻率為100kHz。振蕩輸出方波經二極管整流得到負壓。該電路使用元器件少，采用SMT技術，工藝實現簡單。

2.6 電路仿真

對于有一定帶寬的低噪放設計，傳統的設計方法是在一個頻點上根據給定的增益，在史密斯圓圖上做等增益圓，再在等噪聲圓族上找出與之相切的等噪聲系數圓，確定對應最小的等噪聲系數，然后再在其他頻率點上重復該過程，以確定放大器能否在整個帶寬內同時滿足所要求的增益和噪聲系數指標。得到最初值后，可在各種微波EDA軟件中進行優化，比如ADS、MWO、Designer等，這些軟件在尋找最優值時的共同點都是做小信號的仿真，只需告訴軟件管芯的小信號S參數和不同頻率下與噪聲相關的參量。

該放大器采用兩級FHX35LG級聯，選用Rogers4003介質板。通過軟件優化電路拓撲得出各電路參數，軟件模擬結果如圖5所示。模擬結果為：場效應管在指定的放大器增益在28.4dB左右，增益起伏為0.2dB，噪聲系數約為1.2dB，工作條件為室溫，最佳工作點：VD=3V，ID=15mA。

2.7 工藝結構上的優化

為了確保產品的高可靠性、一致性和可生產性，從以下兩方面進行了設計優化。

2.7.1 雙電源偏置電路

在單電源自偏電路中FET的柵極通過電感接地，源極通過平板電容與電阻并聯接地[10]。該方法雖然電路簡單，但是平板電容裝配工藝復雜，而且平板電容的電極易損壞，不易返修。采用雙電源后無需裝配平板電容，所有元器件可使用表面貼裝技術，通過回流焊燒結一次裝配完成，工藝簡單、返修方便。

2.7.2 介質板大面積焊接

介質板采用絲網印刷工藝大面積焊接在機殼上，保證了放大組件接地的連續性，使得組件性能穩定，提高了產品性能的一致性和生產效率。

3 試驗結果

基于電路仿真結果，通過一系列的設計優化，最終在Rogers4003介質板上制作出S波段低噪聲放大器，經過調試，組件的增益、駐波等指標如下：增益28.5dB，增益起伏小于±0.2dB，輸入輸出駐波小于1.3，噪聲1.7dB，組件間的相位一致性小于3°，從圖5和圖6可以看出，實測數據和仿真基本一致。通過實際仿真和實測結果對比可以看出一致性非常好，可以用來指導大批量生產。試制了6只產品，調試方法簡單，一致性很好。

圖5 平衡式放大器優化仿真結果

圖6 實測數據圖

4 結論

通過對低噪聲放大器的正交橋、FET偏置、電壓轉換、結構工藝等要素的設計優化，放大組件性能穩定，指標優良，設計方案切實可行。在實際生產中產品性能可靠、指標一致性好，工藝簡單高效、調試方便，提高了生產效率，滿足了大批量生產的要求。

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