Ka波段微帶低噪聲放大器的設計

單偉 電子科技大學物理學院 四川成都 610054

1 設計目標

Ka波段微帶低噪聲放大器設計：頻率：32-38GHz，噪聲系數≤4dB，增益≥20dB，輸入、輸出回波損耗≤-10dB。

2 低噪聲放大電路的設計與仿真

2.1 低噪聲器件的選取

根據設計指標，要在32-38GHz內實現NF≤4dB，增益G≥20dB，輸入、輸出回波損耗小于-10dB。由于該低噪聲放大器的工作頻段很高，且要求的噪聲系數較低，增益較高，綜合考慮，最后選擇了Ommic工藝庫里的 FD01PHONL1PA這款大信號pHEMT管。這款pHEMT 管工作頻帶從直流到45GHz，工作頻帶極寬。

2.2 低噪聲放大器的設計結構

為了實現該低噪聲放大器在工作帶寬內其增益≥20dB，采用該pHEMT管三級級聯的電路結構，且在每一級的前級做輸入匹配網絡，使獲得最佳噪聲反射系數；在每一級的后級做輸出匹配電路，實現功率傳輸和高增益。級間串聯較大的隔直電容，防止前級晶體管的漏級直流偏壓對后級晶體管柵壓的影響。在第3級輸出匹配電路端串聯一個高通濾波器實現增益平坦性，末端電阻網絡用以調節輸出駐波比。

2.3 直流偏置電路的設計與仿真

為確定該pHEMT管的直流偏置點，應用Ommic工藝庫提供的直流分析模版FET DC Tracing 對pHEMT管進行直流掃描分析。圖1為其直流仿真結果I-V Curves曲線。

圖1 Devic I-V Curves 曲線

由直流仿真結果知，晶體管工作的直流偏置為VDS=3V，VGS=-0.35V，IDS=20mA。本課題要求的 Ka 波段低噪聲放大器，噪聲指標尤為重要，所以經過綜合考慮后，在設計偏置電路時預采用雙電源供電的形式對低噪聲晶體管進行供電，為此要分別設計柵極跟漏極偏置電路。漏極偏置電路的作用除了為低噪聲晶體管提供恒定的漏極正電壓和漏極電流之外，還要隔離射頻信號泄露到漏極的直流電源處；柵極偏置電路的功能是提供恒定的柵極負電壓之外，遏制漏極到柵極的信號。

2.4 匹配電路的設計與仿真

放大器的輸入匹配一般有兩種方式，一種是按最小噪聲匹配，另一種是按最大功率傳輸匹配。一般很難同時實現最小噪聲與最大增益，因此在設計低噪聲放大器的時候必須折中考慮，同時兼顧噪聲與增益的性能。對于課題要求噪聲系數≤4dB，增益≥20dB，所以首先要使每一級輸入端對放大器呈現一定的源阻抗，接近最佳噪聲匹配，以獲得良好的噪聲系數，一般情況下找到中心頻率輸出阻抗以備每一級電路的輸出匹配，在每一級的輸出端，一般是按最大功率傳輸匹配。

2.5 pHEMT管級聯設計與仿真

仿真分析知每一級電路的增益在7-8dB。為了實現該低噪聲放大器在工作帶寬內其增益≥20dB，采用該pHEMT管三級級聯的電路結構。為提高該放大器的增益平坦性，故考慮在第三級電路的輸出端加一高通濾波器，用以調節該低噪聲放大器的增益平坦。在輸出端串聯一π型衰減網絡，用以調節輸出駐波比。將該高通濾波器以及π型衰減網絡串聯到第三級pHEMT管的輸出端，得到的低噪聲放大器原理圖如圖2所示。

圖2 LNA原理圖

優化完成后的仿真結果如圖3所示。在32-38GHz的工作范圍內，噪聲系數≤4dB，帶內增益為21.8dB，輸入、輸出回波損耗≤-10dB，滿足設計指標。

圖3 LNA仿真結果

3 總結

本文采用Ommic公司提供的一款pHEMT管—FD01PHONL1PA，為實現在工作帶寬32-38GHz內，其增益≥20dB，采用晶體管三級級聯的電路結構，并在第3級輸出匹配電路端串聯一個高通濾波器實現增益平坦性，末端電阻網絡用以調節輸出駐波比。整個設計較好的達到了指標要求，實現了在32-38GHz的工作頻率范圍內，噪聲系數≤4dB，增益≥20dB，輸入、輸出回波損耗≤-10dB。