P波段限幅低噪聲放大器設計

王余國 戚賀 范小龍 程冰

摘 要：設計了一款平衡式、大功率限幅低噪聲放大器。利用準有源結構設計限幅器，提高了PIN限幅二極管的限幅能力。加工實測結果表明，在400～600MHz，此限幅放大器噪聲系數小于1.7dB，增益為27±0.2dB，能夠承受800W（3ms脈寬，33%占空比）的脈沖功率信號。

關鍵詞：限幅器；低噪聲放大器；準有源；PIN二極管

中圖分類號：TN722.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0039-02

低噪聲放大器（簡稱低噪放）是無線電接收機的關鍵組件，其性能對接收機靈敏度有重要影響。由于低噪放易受大功率信號損壞，因此在低噪放前端通常級聯限幅器[1，2，3]。將限幅器與低噪放一體化設計，可以獲得更低的噪聲系數、更緊湊的尺寸和更高可靠性，這種一體化設計已經廣泛用于相控陣雷達。

本文用混合電路工藝，設計了一款平衡式限幅低噪聲放大器。測試結果表明：在400～600MHz，能夠承受800W（3ms脈寬，33%占空比）的脈沖信號，噪聲系數小于1.7dB，增益為27±0.2dB。

1 設計原理

本文設計的限幅低噪聲放大器如圖1所示，由輸入端90°3dB耦合器、功率負載電阻、限幅器、低噪聲放大器和輸出端90°3dB耦合器組成[4]。

當輸入射頻信號功率小于限幅器限幅門限，限幅放大器對輸入射頻信號線性放大。此時輸入信號經過輸入端3dB耦合器分成兩路等幅正交信號輸出，耦合器隔離端口的功率負載上沒有信號。兩路等幅正交信號經過限幅器、LNA在輸出端3dB耦合器合成輸出。當輸入大功率信號時，耦合器的兩路正交信號被限幅器反射，反射信號在輸入端3dB耦合器的隔離端口合成，并施加在功率負載上[5]。兩路正交反射信號在3dB耦合器的輸入端口相消，因此3dB耦合器的輸入端口將一直保持良好的駐波比。

2 電路設計

輸入端3dB耦合器采用Anaren公司3dB耦合器，在400～800MHz插入損耗小于0.15dB，可承受300W連續波，能夠滿足此限幅低噪放的耐功率要求。

功率負載電阻選用具有優異導熱性能氧化鈹（BeO）基板制作的大功率薄膜電阻。

2.1 限幅器設計

限幅器原理圖如圖2所示，由兩級構成。第一級為大功率限幅器，采用了半有源式結構。這種結構的特點是大功率PIN限幅二級管的前級加入了耦合檢波器。大功率射頻信號經過耦合器輸出一個小功率信號，經過檢波管檢波及RC濾波，為后級的大功率PIN限幅二極管提供直流偏置。這種半有源式限幅結構比單獨PIN管構成的限幅器具有更大的功率容量。第二級使用了單片式限幅器，將第一級大功率限幅器的輸出信號再次限幅，以滿足后級LNA輸入功率限制。

第一級限幅器的PIN管選用了Skyworks CLA4607，9只并聯。第二級限幅單片使用AWE4191。限幅器的版圖設計在HFSS中進行，利用HFSS附帶的bond wire建模功能，可以精確仿真鍵合金絲帶來的寄生效應。設計好的限幅器版圖如圖3所示。電路基板采用氧化鋁材質，厚度0.635mm。PIN限幅管通過焊料燒結在金屬載體上，再用金絲將陽極與電路連接。隔直電容、檢波二極管均采用芯片式元件，用導電膠貼裝在電路上，再用金絲鍵合連接。設計版圖時預留了金絲跳線島，以方便在調試時可以通過金絲跳線調節第一級限幅器及第二級限幅器之間的電感，選擇合適的金絲跳線長度，可以降低第一級限幅器PIN管結電容帶來的插損。

2.2 低噪聲放大器設計

低噪聲放大器選用Broadcom ATF-551M4 E-pHEMT 超低噪聲放大管。該低噪放模塊在0.4～0.6GHz的噪聲系數小于0.3dB，增益高于20dB。此放大管具有極低的噪聲系數，適合作為第一級放大器使用。在設計低噪放時使用最小噪聲系數匹配方法[6]，放大管柵極采用電阻分壓作為偏置。設計完成的低噪聲放大器版圖如圖4所示。低噪放基板采用Rogers RO4350B，板厚0.508mm，損耗正切角0.0037。

由ATF-551M4放大的信號經過3dB耦合器合成輸出，3dB耦合器輸出端級聯一個低噪聲放大器以提高鏈路增益。此低噪放選用中電55所研制的WFD001020-L17低噪聲放大器模塊，在0.1～2GHz，典型增益16.5dB，噪聲系數小于1.7dB，P1dB為16dBm，外圍電路簡單無需匹配電路，適合作為后級放大器提高增益。

3 測試結果

加工的限幅低噪放實物如圖5。各元器件通過焊料燒結或者導電膠粘結貼裝在腔體內，并用金絲鍵合完成互連，最后將殼體進行激光封焊。

限幅低噪放的S參數測試使用Agilent E8361C PNA矢量網絡分析儀。測得的增益如圖6所示，在400～600MHz，增益為27±0.2dB，平坦度良好。輸入輸出端口駐波比均小于1.4。

噪聲系數的測量使用Keysight MXA N9020A信號分析儀和Keysight N4002A噪聲源，測得的噪聲系數如圖7所示。測量結果表明，在400～600MHz，該限幅低噪放的噪聲系數小于1.7dB。

在耐大功率信號測試時，使用脈沖功率計。測試時需要大功率衰減器，以將大功率脈沖信號衰減至滿足脈沖功率計探頭的輸入功率限制；在限幅低噪放的前端，應接有定向耦合器和大功率匹配負載，以防止限幅低噪放的大功率回波反射到功放造成損壞。在測試前首先對功放輸出脈沖功率進行校準，并將線纜、連接器、衰減器等的損耗計入校準過程。

此限幅低噪放經過800W（3ms，33%占空比）的脈沖功率信號，1小時的測試，沒有損壞。再次進行常規性能測試，無明顯變化。

4 結語

設計了一款P波段平衡式低噪聲放大器。此限幅低噪放采用了準有源結構的限幅器，增強了PIN管限幅能力，實現了大功率限幅。經過加工測試，性能良好，具有較高實用價值。

參考文獻

[1]Platonov S V， Osipov A M， Kozlovsky E Y. Power limiter/low-noise amplifier of C-band[C]//International Conference and Seminar on Micro/nanotechnologies and Electron Devices. IEEE， 2010：193-196.

[2]Mahmoudidaryan P， Medi A. Codesign of Ka-Band Integrated Limiter and Low Noise Amplifier[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2016， 64（9）：2843-2852.

[3]Schuh P， Reber R. Robust X-band low noise limiting amplifiers[C]// Microwave Symposium Digest.IEEE，2014：1-4.

[4]艾競.小型化X波段平衡式限幅器設計[D].成都：電子科技大學，2013.

[5]尤喜成，喻志遠.L波段限幅低噪聲放大器的設計[C].2007年全國微波毫米波會議論文集，2007.

[6]Reinhold Ludwing， Pavel Bretchko.射頻電路設計：理論與應用[M].王子宇，張肇儀，徐承和譯.北京：電子工業出版社，2007.