0.03～3 GHz超寬帶低噪聲放大器設計

王志鵬，文繼國

（成都信息工程大學電子工程學院，四川雙流610225）

由于超寬帶（Ultra-Wideband）信號的功率譜密度非常低，頻帶跨度大，信號難以被檢查到，再加上采用跳頻、直接序列擴頻等擴頻多址技術，使得非授權用戶很難捕捉到有用的信息，極好的保密性被廣泛的運用到當代軍事系統當中。超寬帶低噪聲放大器作為射頻微波電路接收前端的核心部分，性能的好壞直接決定著射頻接收系統整體的指標[1]。因此為了達到改善通信質量，降低整機噪聲系數，提高接收機系統的靈敏度的目的[2]，具有較高的增益和較低的噪聲系數的LNA成為本文研究得重點。此外，為了穩定輸出和最大化接收機的動態范圍需求，提高接收機對非線性信號的抗干擾能力，以便本文設計的超寬帶低噪聲放大器能靈活的應用于各種超寬帶系統中，還希望超寬帶放大器能具有增益可調的特性。

為了實現放大器增益可調功能，MMIC芯片以其緊湊、穩定性好、抗干擾能力強和高產品性能一致性等被選為本設計的數控衰減芯片[3-6]。實現了一款具有增益可控以及耦合檢波功能的超寬帶低噪聲放大器。

1 總體設計

本設計要求增益大于20 dB，考慮到電路設計中器件的插損，因此需要在設計時留出一定的余量。以29 dB作為設計目標，由于一級放大器增益不夠，三級設計容易產生自激振蕩，所以選用兩級放大器級聯的形式。為了防止輸入功率過大燒毀芯片，在電路的輸入端放置一個限幅二極管把輸出信號幅度限定在一定的范圍內，由于CLA4601-000具有較陡值的UI特性，使之具有良好的開關特性，可以有效保護后面的放大器芯片。為了增加隔離度以及調節整機的總體增益，在設計電路時預留出調節位置。同時為了減小放大器的尺寸，實現檢波的功能，通過正面版的耦合器把射頻信號耦合到背面版的檢波器輸出電壓信號，起到檢波的作用。組成框圖如圖1所示。

圖1 組成原理框圖

2 電路設計

2.1 放大器穩定性分析

在設計放大器電路的過程中，需要重點考慮放大器的特性參數很多，主要包括放大器的穩定性，增益，輸入輸出駐波比和噪聲等。其中為了使放大器正常工作，避免自激振蕩的出現，穩定性因數起到了關鍵性作用。放大器穩定性是在面對環境變化（信號頻率，溫度，濕度等），依然能夠維持正常工作的能力。一個微波管的射頻絕對穩定條件是:

其中D=S11S22-S12S21。只有當3個條件全部滿足時，才能保證放大器是決定穩定的。

通常在設計的過程中，為了改善放大器的穩定性，主要有3種方法。

1）串聯阻抗負反饋。

2）用鐵氧體隔離器。

3）穩定衰減器。

本文設計的放大器主要通過在兩個晶體管之間添加均衡器和π型衰減來增加隔離度，來防止整機低溫自激振蕩。

2.2 放大器芯片選型

有源微波固態電路的整體性能主要由所選器件的基本性能參數所決定[1]。根據噪聲級聯公式，故選擇一款符合設計要求且性能優異的微波低噪聲放大器，已成為獲得優良電路的基本前提。美國萬通（WanTcom）作為世界知名的半導體設計企業、制造商和供應商。其生產的微波器件性能優越，穩定性高。這里我們選擇該公司生產的一款低噪聲放大器芯片WHM0035進行電路的設計。WHM0035在0.02～3 GHz的寬頻帶內，具有±0.5 dB的平坦度，最大增益為15 dB，且噪聲系數低于1.2 dB.考慮到放大器整體的指標要求增益大于20 dB，所以第二級放大器選擇安高華公司生產的放大器芯片TQP3M9028，在0.05～4 GHz的頻帶范圍內，具有15 dB增益，輸出1 dB壓縮點達到了20.7 dBm。

2.3 MMIC衰減器的組成和工作原理

超短波接收機的一個重要指標是動態范圍的大小，大動態范圍的接收機不僅能夠以極低的失真檢測幅度相差達90或者100 dB的信號，而且還能夠避免遠離接收機調諧頻率的大信號以及相互之間因非線性作用產生的虛假信號，例如三階交調失真。本文為了提高整機的動態范圍達到增益可調的目的，采用了對整機進行增益控制的方法，因此數控衰減芯片成為必不可少的部分，同時為了縮小整體設計的尺寸大小，本設計選擇了一款數字驅動的6bit數控衰減微波單片集成電路（MMIC）[7]。該MMIC由數字驅動器和數控衰減器集成在一起，其中數字驅動電路采用的是直接耦合場效應晶體管邏輯電路，數控衰減器包括6個衰減狀態并且通過級聯組成。數控衰減器由三部分組成：PHEMT、微帶線和電阻。PHEMT在數控衰減器中起到開關作用，由電阻構成的π型或者T型結構對傳輸信號進行衰減。能夠實現16，8，4，2，1和0.5 dB 6個衰減基本態級聯組成，實現步進為0.5 dB，最大衰減量為31.5 dB[8]。

其中0.5 dB和1 dB小衰減位采用的是簡化的T型衰減結構，此結構具有簡單、插入損耗小等優點，適用于小衰減位。

2，4和8 dB大衰減位采用π型衰減結構，16 dB采用兩個8 dB結構串聯實現[6]。具有輸入輸出駐波小等優點，適用于大衰減位。如圖2是整個衰減器的實物圖。

圖2 MMIC衰減器

2.4 耦合檢波電路的設計

射頻信號從一端輸入，為了同時實現信號輸出和信號檢波的功能，需要把信號分成兩部分進行分別處理，其中定向耦合器屬于功率分配器件的一種，其種類通常有單定向耦合器和雙定向耦合器以及同軸型定向耦合器和波導型定向耦合器之分[9]。在設計耦合器時，主要考慮到耦合器的耦合度、方向性、插損和駐波系數，以及最大損壞功率等。耦合度是指輸入信號耦合到副臂端的程度，它反映了耦合端能接收到的功率大小，當主臂端接50 Ω負載時，入射信號與輸出信號之比取對數之值。通常情況下耦合度的絕對值越大，耦合器插損的絕對值越小。定向耦合器的插損一般都比較小，這里我們選取的耦合芯片RBDC-20-63+的插損小于0.7 dB，耦合度為20 dB，最大輸入功率為23 dBm。射頻信號經過耦合器，一路正常輸出，另一路耦合到背面板的檢波器中，為了匹配檢波器電路，耦合輸出端要并聯一個50 Ω的電阻，可以有效擴大檢波器輸出電壓的動態范圍。

為了實時反映射頻電路輸出信號的大小以及是否正常正常工作，需要設計一個檢波電路把射頻信號轉化為更加直觀的電壓信號。這里選擇的是亞德諾半導體技術有限公司的一款檢波芯片ADL5513，該芯片是一款解調對數放大器，能夠精確地將射頻信號轉換為相應的分貝標度輸出[10]。ADL5513在級聯放大器鏈路采用漸近壓縮技術，鏈路每一級配備一個檢波器單元。具有80 dB的動態范圍，誤差精度小于±3 dB。作為測量器件，Vout引腳接輸出端并與Vset外部通過電阻相連輸出電壓信號，并且輸出電壓隨著RF輸入信號幅度呈線性變化，斜率為20mV/dB，可以通過調節外圍電路來改變斜率的大小.在檢波器的輸出端使用560pF的電容。最后完成的檢波電路如圖3所示。

圖3 檢波電路

3 系統的調試和測量

3.1 系統的調試

本設計采用兩級放大，為了符合平坦度的要求，需要在兩個放大器之間加一個均衡器[11]，通過ADS設計了一個符合要求的均衡器[12-13]。電路結構和仿真結果如圖4所示。其中優化得出R1=22 Ω，R2=50 Ω，C1=47 pF，L1=56 nH。

由仿真結果可以看出，dB（S（2，1））從30 MHz開始到30 GHz結束，呈現上升趨勢，使得低端均下6 dB的增益，高端均下1 dB。

最后得到放大器的平坦度趨近于±0.5 dB。由仿真出來的反射系數均小于-10 dB，有效降低了均衡器對系統駐波的影響。

最后一通過Smith圓圖仿真，在預留調試位置進行電路匹配來降低駐波系數并優化電路結構[14-16]，制作實物如圖5，6所示。

圖4 ADS仿真電路圖

圖5 放大器正面結構

圖6 放大器背面結構

其中圖5為放大器的正面結構，信號經過輸出端的耦合器耦合到背面板（圖6），經過檢波芯片ADL5513轉化為檢波電壓輸出。

3.2 測量結果

裝配好放大器實物后，用適量網絡分析儀和噪聲系數分析儀進行測試。由于仿真設計與實際器件必然存在差異，經過反復調試，最終較好的滿足了設計目標。由圖7知研制出的低噪聲放大器增益大于20 dB，平坦度小于±0.5 dB，噪聲系數在2.73 GHz時最大為2.14 dB。

圖7 測試結果

利用萬用表對輸出檢波電壓進行測量，測得檢波動態范圍大于50 dB。輸出檢波電壓測量數據如下表所示。由表格1可以看出，在輸入信號功率從-55 dBm增加到-5 dBm的過程中，輸入功率每調整10 dBm，輸出檢波電壓增加0.2 mV，因此輸出檢波電壓隨著RF輸入信號幅度呈dB線性增加，斜率為20 mV/dB。

表1 檢波輸出電壓

4 結論

文中介紹了一種超寬帶低噪聲放大器的設計，該放大器具有增益調節功能以及耦合檢波的功能有效的擴大了整機的動態范圍，調高了隊非線性信號的抗干擾能力。通過采用成熟的微組裝工藝制作完成，測試結果比較理想，各項指標均滿足要求，該放大器達到了較高的性能指標，可以在各種電子通訊系統中廣泛應用。