基于超導接收機前端的低溫低噪聲放大器設計

王英豪+張磊

摘 要：低噪聲放大器是接收機系統(tǒng)的重要模塊。介紹了應用于P波段的低溫低噪放大器的設計和調試方法，通過使用PHEMT晶體管，按照最小噪聲系數設計，采用兩級級聯，并引入源級負反饋和電阻并聯負反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在77 K溫度下，實測放大器增益大于30 dB，噪聲系數低于0.5 dB，輸入輸出反射系數小于—15 dB。

關鍵詞：低溫;低噪聲放大器;穩(wěn)定性;噪聲系數

中圖分類號：TN722 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2014）12-00-02

0 ?引 ?言

隨著現代無線通信、微波測量、電子對抗等技術的高速發(fā)展，一些工作特定環(huán)境下的接收機需要更高的性能要求。高溫超導接收機（High temperature superconducting receiver，HTS receiver）前端則以其高靈敏度、高選擇性、極低噪聲等特點應運而生，高溫超導接收機前端由高溫超導濾波器和低溫低噪聲放大器（Cryogenic Low Noise Amplifier， CLNA）組成。CLNA作為接收機第一級有源器件，其噪聲性能直接決定了接收機的靈敏度。文獻[1]顯示，在常用通訊頻段中，60K低溫下的放大器噪聲系數（Noise Figure，NF）較之常溫下的噪聲系數下降約0.4 dB，這可極大提高通信的傳輸效率和質量。目前，HTS receiver在雷達、通信、射電天文接收機中得到廣泛的應用。

近年來，通過低溫冷卻LNA中的高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）使得低噪聲放大器快速發(fā)展并大幅提高了其性能。但HEMT管難以在幾百兆赫茲頻率范圍工作的的同時達到較小噪聲，文獻[1，2]亦是工作在800 MHz及以上頻率范圍。本文根據設計要求，在500～700 MHz頻率范圍內設計出能優(yōu)異的CLNA，這必須權衡低NF、高增益，無條件穩(wěn)定等因素，無疑增加了設計難度。本文最終實現77 K液氮低溫環(huán)境下：噪聲系數小于0.5 dB，增益大于30 dB，反射系數小于-15 dB。

1 ?低溫低噪聲放大器的設計與仿真

1.1 ?器件選擇

由于器件在低溫下的工作特性與常溫環(huán)境下不同，通過常規(guī)手段設計的常溫低噪聲放大器直接應用于低溫環(huán)境中通常不能滿足設計要求。對于低溫低噪聲放大器的網絡參數直接在低溫下調整還難以實現，文獻[2]給出了一種低溫低噪聲放大器的預修正設計方案，綜合利用仿真軟件和實測結果來獲取晶體管的低溫參數，進而進行設計。但是，本次我們并沒有提取低溫參數，而是通過選取熟悉的器件，參考常溫特性及低溫環(huán)境測試結果，預修正與驗證設計。本次設計選用安捷倫公司的增強型PHEMT器件ATF-54143，它不僅具有極低的噪聲與較高的增益，同時可以消除HEMT器件在低溫下的深電子陷阱效應。

1.2 ?放大器穩(wěn)定型設計

在理想放大器中S12為零，放大器會無條件穩(wěn)定。但微波晶體管存在內部反饋，晶體管的S12即表示內部反饋量，可能導致放大器穩(wěn)定性變差甚至自激，過高的增益亦會造成反饋功率變大，導致不穩(wěn)定[3]。因此設計放大器必須保證放大器在工作頻段內絕對穩(wěn)定。放大器的絕對穩(wěn)定條件是：

（1）

（2）

式中：Sij為晶體管的S參數，K稱為穩(wěn)定性判別系數，同時滿足上述兩個條件才能保證放大器是絕對穩(wěn)定的。通過ADS仿真可以看出來ATF-54143在工作頻段內并不是絕對穩(wěn)定的。對于潛在不穩(wěn)定管子，常見的改善穩(wěn)定性方法有：源級負反饋，一般使用無耗感抗負反饋，實際電路中，常使用微帶線LS來構成;輸入、輸出端口串并聯電阻，用來抵消自激震蕩引來的負阻抗部分，但同時會導致噪聲系數惡化。綜合考慮管子特性及設計要求，最終使用源級負反饋和阻性元件并聯反饋結構，反饋結構引入阻性元件Rf可以減少增益紋波、降低寬帶匹配難度，其引入的的噪聲會隨著溫度減低得到顯著下降。本設計采用兩級級聯達到設計所需增益要求，通過PI型阻性衰減器來提高級間隔離度。其電路結構如圖1所示。

圖1 ?低噪聲放大器電路結構圖

1.3 ?放大器電路設計

放大器電路設計包括直流偏置設計，直流隔離設計，匹配電路設計，版圖聯合仿真優(yōu)化。

直流偏置設計包括了PHEMT管的靜態(tài)工作點及工作狀態(tài)的選取和偏置電路設計，本次設計選取3 V、60 mA工作點。首要滿足最小噪聲的同時，依靠兩級放大來提高增益。在保證將偏置電壓正確送入到PHEMT管腳的同時需要做到與交流電路部分達到良好的隔離。在LNA電路設計中，使用隔直電容C3、C4來抑制直流偏置電壓對前后級器件的影響。

匹配電路設計：低噪聲放大器的噪聲系數和放大電路的匹配網絡有著緊密的聯系，二端口放大器噪聲系數表達式為

（3）

式中：Fmin表示晶體管噪聲系數的最小值，rn為晶體管的等效噪聲電阻，Γopt為最佳源反射系數，ΓS為源反射系數。由此可見，當Γopt=ΓS時，可實現最佳噪聲匹配。因此放大器的第一級按照最小噪聲設計同時適當兼顧駐波特性，輸入端反射系數ΓS選Γopt附近，放大器第二級設計兼顧噪聲和增益。根據ADS軟件進行設計優(yōu)化，添加微帶與焊盤，聯合仿真最后達到仿真結果如圖4所示。

根據ADS仿真設計的版圖制成PCB電路，使用村田0603封裝元件焊接。為了保證良好的接地，PCB使用大量過孔安裝到屏蔽盒地板上，屏蔽盒采用黃銅材料，最終制作的LNA實物如圖2所示。

圖2 ?放大器實物

2 ?電路調整及實測結果

將放大器置于77 K溫度的液氮環(huán)境中，初次測試結果與設計有不小偏差，這一方面是由于分立元件的離散性和焊接引起的各種寄生參數影響，另一重要原因是晶體管在低溫環(huán)境下性能參數的顯著變化。在低溫環(huán)境中，晶體管的V～I特性會發(fā)生變化，首先我們需要增加柵極電壓來維持晶體管的漏極電流[4]，保證放大器工所需的偏置條件，測試顯示惡化嚴重的輸入駐波得到了改善。 在保證低噪聲的情況下，我們根據實測低溫S11與NF情況，結合靈敏度分析，發(fā)現圖1中反饋電阻Rf的值直接關系輸入駐波和噪聲。液氮環(huán)境中，增大Rf可以減小噪聲，但會惡化輸入駐波，減小Rf改善了駐波但會惡化噪聲，權衡整個設計，我們選擇了一個最優(yōu)的Rf值，最后使得噪聲與駐波均達到了設計要求。最終實現的放大器測試結果如圖3～圖6所示，由圖3可見放大器在低溫下的噪聲系數下降約0.5 dB，極大地提高了放大器的性能。

圖3 ?低噪放噪聲測試結果

圖4 ?原理圖仿真S參數

圖5 ?低噪放常溫S參數

圖6 ?低噪放低溫S參數

參考其仿真結果，我們發(fā)現由分立元件焊接的放大器性能易出現惡化，增益減小駐波變差等，這說明在仿真時候添加冗余量的重要性。由常溫和低溫測試結果圖發(fā)現，按照最小噪聲兼顧輸入駐波匹配的電路在低溫環(huán)境下，其器件特性的變化使得之前的匹配并不是在最優(yōu)點，這就造成了S11的部分惡化，我們需要根據模擬結果，結合常溫、低溫調試來修正電路模型，最終實現電路設計。

3 ?結 ?語

本文介紹了P波段低溫低噪聲放大器的設計和調試過程，對出現的問題進行了分析與說明，并成功制備LNA樣品，對各項指標分別在常溫和低溫下進行測試，很好地完成了設計目標，低溫下優(yōu)良的性能達到超導接收機前端的要求 。

參考文獻

[1] Wang F. Characteristics of Low Noise 800MHz Amplifier at Cryogenic Temperature[C]. Beijing. Internal Conference Microwave Technology，2004，991-994

[2]張濤，官伯然.低溫低噪聲放大器的預修正設計方法與實現[J].低溫物理學報，2012，34 （6），446-450.

[3]鄭磊.微波寬帶低噪聲放大器的設計[D].成都：電子科技大學，2006.

[4] Marian W. Pospieszalski. FETs and HEMTs at cryogenic temperatures their properties and use in low-noise amplifiers[J].IEEE Transactions on Microwave ?Theory and Techniques，1988，36（3），552-560.

[5] Wang Guobin， Zhang Xiaoping. A 400 MHz Low Noise Amplifier at Cryogenic Temperature for Superconductor Filter System[J].Journal of Electronic Science and Technology of China，2007，5（3），230-233.

2 ?電路調整及實測結果

將放大器置于77 K溫度的液氮環(huán)境中，初次測試結果與設計有不小偏差，這一方面是由于分立元件的離散性和焊接引起的各種寄生參數影響，另一重要原因是晶體管在低溫環(huán)境下性能參數的顯著變化。在低溫環(huán)境中，晶體管的V～I特性會發(fā)生變化，首先我們需要增加柵極電壓來維持晶體管的漏極電流[4]，保證放大器工所需的偏置條件，測試顯示惡化嚴重的輸入駐波得到了改善。 在保證低噪聲的情況下，我們根據實測低溫S11與NF情況，結合靈敏度分析，發(fā)現圖1中反饋電阻Rf的值直接關系輸入駐波和噪聲。液氮環(huán)境中，增大Rf可以減小噪聲，但會惡化輸入駐波，減小Rf改善了駐波但會惡化噪聲，權衡整個設計，我們選擇了一個最優(yōu)的Rf值，最后使得噪聲與駐波均達到了設計要求。最終實現的放大器測試結果如圖3～圖6所示，由圖3可見放大器在低溫下的噪聲系數下降約0.5 dB，極大地提高了放大器的性能。

圖3 ?低噪放噪聲測試結果

圖4 ?原理圖仿真S參數

圖5 ?低噪放常溫S參數

圖6 ?低噪放低溫S參數

參考其仿真結果，我們發(fā)現由分立元件焊接的放大器性能易出現惡化，增益減小駐波變差等，這說明在仿真時候添加冗余量的重要性。由常溫和低溫測試結果圖發(fā)現，按照最小噪聲兼顧輸入駐波匹配的電路在低溫環(huán)境下，其器件特性的變化使得之前的匹配并不是在最優(yōu)點，這就造成了S11的部分惡化，我們需要根據模擬結果，結合常溫、低溫調試來修正電路模型，最終實現電路設計。

3 ?結 ?語

本文介紹了P波段低溫低噪聲放大器的設計和調試過程，對出現的問題進行了分析與說明，并成功制備LNA樣品，對各項指標分別在常溫和低溫下進行測試，很好地完成了設計目標，低溫下優(yōu)良的性能達到超導接收機前端的要求 。

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2 ?電路調整及實測結果

將放大器置于77 K溫度的液氮環(huán)境中，初次測試結果與設計有不小偏差，這一方面是由于分立元件的離散性和焊接引起的各種寄生參數影響，另一重要原因是晶體管在低溫環(huán)境下性能參數的顯著變化。在低溫環(huán)境中，晶體管的V～I特性會發(fā)生變化，首先我們需要增加柵極電壓來維持晶體管的漏極電流[4]，保證放大器工所需的偏置條件，測試顯示惡化嚴重的輸入駐波得到了改善。 在保證低噪聲的情況下，我們根據實測低溫S11與NF情況，結合靈敏度分析，發(fā)現圖1中反饋電阻Rf的值直接關系輸入駐波和噪聲。液氮環(huán)境中，增大Rf可以減小噪聲，但會惡化輸入駐波，減小Rf改善了駐波但會惡化噪聲，權衡整個設計，我們選擇了一個最優(yōu)的Rf值，最后使得噪聲與駐波均達到了設計要求。最終實現的放大器測試結果如圖3～圖6所示，由圖3可見放大器在低溫下的噪聲系數下降約0.5 dB，極大地提高了放大器的性能。

圖3 ?低噪放噪聲測試結果

圖4 ?原理圖仿真S參數

圖5 ?低噪放常溫S參數

圖6 ?低噪放低溫S參數

參考其仿真結果，我們發(fā)現由分立元件焊接的放大器性能易出現惡化，增益減小駐波變差等，這說明在仿真時候添加冗余量的重要性。由常溫和低溫測試結果圖發(fā)現，按照最小噪聲兼顧輸入駐波匹配的電路在低溫環(huán)境下，其器件特性的變化使得之前的匹配并不是在最優(yōu)點，這就造成了S11的部分惡化，我們需要根據模擬結果，結合常溫、低溫調試來修正電路模型，最終實現電路設計。

3 ?結 ?語

本文介紹了P波段低溫低噪聲放大器的設計和調試過程，對出現的問題進行了分析與說明，并成功制備LNA樣品，對各項指標分別在常溫和低溫下進行測試，很好地完成了設計目標，低溫下優(yōu)良的性能達到超導接收機前端的要求 。

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