0 引言
在雷達(dá)射頻接收系統(tǒng)中，對系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求越來越高,，其中低噪聲放大器是影響著整個(gè)接收系統(tǒng)的噪聲指標(biāo)的重要因素,。與普通的放大器相比,，低噪聲放大器作用比較突出，一方面可以減少系統(tǒng)的雜波干擾,，提高系統(tǒng)的靈敏度,；另一方面可以放大系統(tǒng)的射頻信號，保證系統(tǒng)正常工作,。因此,，低噪聲放大器的性能制約著整個(gè)接收系統(tǒng)的性能，對整個(gè)接收系統(tǒng)性能的提高起了決定性的作用,。因此,，研制寬頻帶、高性能,、更低噪聲的放大器,，已經(jīng)成為微波技術(shù)中發(fā)展的核心之一,。
本文介紹的新型寬帶低噪聲放大器就是在當(dāng)前工程技術(shù)發(fā)展需求的前提下,，從放大器本身的特性出發(fā)，采用薄膜混合集成電路和先進(jìn)的共晶微組裝工藝,，應(yīng)用平衡式放大電路,，精心研制而成的。
1 電路設(shè)計(jì)
1．1 電路原理
設(shè)計(jì)要求整個(gè)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)小于2 dB,，增益在32 dB以上,，根據(jù)單片放大器目前的增益，需要設(shè)計(jì)三級放大鏈路,，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,。
要達(dá)到這種要求，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)必須按最小噪聲系數(shù)匹配,。實(shí)際上要得到最小噪聲,，輸入網(wǎng)絡(luò)往往都是失配的。但是由于指標(biāo)要求駐波比要小于2,，因此,，輸入網(wǎng)絡(luò)首先要兼顧端口駐波比。對于級間匹配一,，既要保證噪聲要低,，后級對前級的噪聲貢獻(xiàn)要低，又要保證較高的增益,，其次還要兼顧兩級放大器管芯間駐波比情況,。對于級間匹配二，則要求保持較高的增益以及合理的增益平坦度,。對于輸出匹配網(wǎng)絡(luò),，除了要保證輸出功率外,，還要保證整個(gè)帶內(nèi)的增益平坦度，以及良好的輸出駐波比,。
1．2 偏置電路形式
本文采用共源極接法,，自偏置電路形式，單電源供電,，其結(jié)構(gòu)如圖2所示,。此處偏置網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)電阻電源。其優(yōu)點(diǎn)是能夠提供自動瞬時(shí)保護(hù)功能,，而且,，單電源供電方便。但是,，電阻電源同時(shí)也會使噪聲性能惡化,，而且電源的旁路電容會產(chǎn)生低頻振蕩，因此,，在匹配直流電路時(shí),，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)采用合適的偏置電阻，使噪聲性能惡化最小,。
1．3 平衡電橋設(shè)計(jì)
1．3．1 耦合器設(shè)計(jì)原理
由于采用了平衡式電路,，所以，首先需要設(shè)計(jì)3 dB定向耦合器,。在此選用交指線耦合器,。交指線耦合器是一種多導(dǎo)體耦合器，其優(yōu)點(diǎn)是：體積??；與雙耦合線器件比較，它的線間距離較大,，容易實(shí)現(xiàn),；與分支線耦合比較，它帶寬寬,。關(guān)于這種3 dB交指線耦合器在目前尚沒有精確的設(shè)計(jì)方法,。一般情況下，其耦合度按以下的三個(gè)設(shè)計(jì)方程來計(jì)算,，電路的作用就是完成這種阻抗轉(zhuǎn)換的,。
根據(jù)以上的方程，只要知道了Zoo和Zoe,，查表便可以求出物理尺寸之比,，再經(jīng)過仿真進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1．3．2 平衡電橋仿真
采用精細(xì)陶瓷基片，其介電常數(shù)為εr=9．8,。利用ADS軟件進(jìn)行仿真如圖3所示,，仿真結(jié)果如圖4所示。
1．4 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)
1．4．1 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和寬帶設(shè)計(jì)
由于采用平衡電路,，因此,，輸入、輸出駐波比可以放在最后整體仿真時(shí)考慮,。仿真時(shí),，重點(diǎn)考慮穩(wěn)定性、噪聲系數(shù),、增益和增益平坦度,。
首先，進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì),。根據(jù)絕對穩(wěn)定的充分必要條件：K>1和|△|<1,。
根據(jù)其S參數(shù)(見表1)，計(jì)算可得,，在4～8 GHz的帶寬內(nèi),，0
再次,，需要對放大器進(jìn)行寬帶內(nèi)的設(shè)計(jì),。從本質(zhì)上講，寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)就是要求在一個(gè)相對較寬的頻率范圍內(nèi),，保持放大器的增益不變,。為此，應(yīng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)或者反饋網(wǎng)絡(luò),，在保持最佳噪聲系數(shù)的情況下補(bǔ)償|S21|隨頻率的變化,。一般來講，設(shè)計(jì)寬帶低噪聲放大器有兩種通用技術(shù)：補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)用負(fù)反饋電路,。在平衡電路中,，噪聲通常是按最佳噪聲來設(shè)計(jì)的。但是，由于按最佳噪聲設(shè)計(jì)往往以犧牲增益為前提,，而如果按最大增益設(shè)計(jì),，往往噪聲性能又將惡化。所以,，為了二者兼顧,，折衷考慮。按最佳噪聲設(shè)計(jì)出的放大器帶寬往往是很窄的,，所以在做寬帶匹配電路時(shí),，輸入、輸出端往往是失配的,。本文的設(shè)計(jì)思路是：采用補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)與負(fù)反饋電路相結(jié)合的技術(shù),，利用平衡電橋來獲得最佳輸入和輸出VSWR；利用負(fù)反饋來補(bǔ)償隨頻率變化的|S21|,，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。二者結(jié)合最終達(dá)到所需要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
最后,，將對上述的低噪聲晶體管,，利用ADS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)成一個(gè)單片，并保證良好的輸入／輸出比,、低的噪聲系數(shù),、高的增益，并把設(shè)計(jì)好的單片作為放大器的第一級,。在這個(gè)前提下,，再進(jìn)行級聯(lián)，而且,，級聯(lián)的第二級也需要保證設(shè)計(jì)的噪聲系數(shù)小,。由于總增益在32 dB以上，根據(jù)晶體管的S參數(shù),，兩級增益達(dá)不到要求,，因此，需要三級級聯(lián),。最后一級,，要有高的增益特性和良好的線性度。這樣,，放大器的增益特性,、噪聲特性、輸入／輸出特性,，功率特性等都可以保證實(shí)現(xiàn),。
1．4．2 整體仿真
采用精細(xì)陶瓷基片,，介電常數(shù)εr=9．8。選取富士通FHX系列,，利用ADS進(jìn)行仿真,，電路原理圖如圖5所示。
三級級聯(lián)后,，仿真結(jié)果如圖6所示。
根據(jù)指標(biāo)要求,，整個(gè)電路的噪聲小于1．6 dB,，輸入輸出駐波比小于1．7，增益在35～37．1 dB之間,。設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求,。
2 裝配和測試結(jié)果
2．1 裝配和調(diào)試
各單片加工完成之后，采用共晶工藝進(jìn)行焊接,，并利用導(dǎo)電膠將芯片粘接在底部基片上,。共晶工藝具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱阻小,、穩(wěn)定性好,、可靠性高等一系列的優(yōu)點(diǎn)，是目前國際上比較先進(jìn)的工藝,。導(dǎo)電膠粘接技術(shù)工藝性好,、固化容易、固化物致密,、粘接力強(qiáng),。由于其耐熱
性有限，因此導(dǎo)電膠的固化溫度和固化時(shí)間的長短對粘接強(qiáng)度影響較大,。一般采用合適的溫度和時(shí)間來固化達(dá)到較理想的效果。
設(shè)計(jì)完成后,，對帶內(nèi)平坦度進(jìn)行調(diào)試,。通過在電路中敏感部位改變?nèi)菪院透行缘拇笮碚{(diào)節(jié)平坦度，使其滿足指標(biāo),，如圖7所示,。
2．2 測試結(jié)果
噪聲系數(shù)測試結(jié)果見表2。
增益和駐波比測試結(jié)果如圖8所示,。
1dB壓縮點(diǎn)測試,，結(jié)果見表3。
測試結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)值與理論設(shè)計(jì)值吻合得較好,，表明這種設(shè)計(jì)方法可取,。
3 結(jié)論
C波段寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)在國內(nèi)外已有一些研究，但是該滿足寬帶高性能指標(biāo)要求的工程設(shè)計(jì)案例還不多,。該設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù),、增益、增益平坦度,、輸入輸出駐波比以及1 dB壓縮點(diǎn)的功率均達(dá)到和超過指標(biāo)要求,，并且該放大器在整個(gè)C波段表現(xiàn)性能優(yōu)良。因此,，在雷達(dá)和電子對抗等工程領(lǐng)域可以得到廣泛應(yīng)用,。另外，在C波段寬帶低噪聲放大器的小型化和集成化設(shè)計(jì)上還需進(jìn)一步探索,。