高性能低噪声放大器的研究设计

2017-08-25 11:34:35      点击:

  高性能低噪声放大器在民航机载雷达接收前端起着至关重要的作用,它的仿真与设计是基于微波网络理论和阻抗匹配理论,随着通信技术的发展,机载通信质量要求不断提高,高增益、高灵敏度、大动态范围的接收前端起着至关重要的作用。而低噪声放大器(LNA)位于雷达接收机的最前端,天线接收信号后,通过低噪声放大器,将微弱的射频信号放大,同时降低噪声干扰。

 

  目前不管是研究民航地空通信干扰抑制系统、空管雷达设计,还是民航电台设计,都需要具有噪声系数小、对信号的信噪比恶化尽可能小、增益高的低噪声放大器。研究增益高、噪声低、性能稳定的低噪声放大器对改善机载接收机灵敏度和提高机载通信质量有着十分重要的意义,同时对提供各种通信导航和雷达监管保障的技术人员来说,熟悉此类射频电子设备的制作也是一项基本的技能。

 

  低噪声放大器设计基本理论:

 

  一个有源器件可以抽象为多端口器件,而本文中的晶体管可以看作二端口网络,用其S参数和反射系数来描述此网络的基本特征。

 

  阻抗匹配在射频放大器中的形式

 

  由于电路工作在C波段,属于微波频率的范围,传统电路理论中的电压和电流形式已经被电场和磁场形式所替代,在进行电路的设计时必须要考虑阻抗是否匹配。

 

  对于低噪声放大器的设计,匹配电路能起到减小噪声系数、增大输出功率的作用,同时也能起到提高晶体管稳定性的作用。在实际的电路匹配设计时,经常采用集总分布混合的匹配形式来实现。比较常用的集总匹配形式有T型和Pi型匹配,而分布匹配一般采用微带线,有开路枝节、短路枝节等。

 

  设计指标与方案

 

  设计指标

 

  按照民航空管的规范要求,从射频理论出发,采用仿真软件验证,设计了一款适用于机载工作条件的低噪声放大器,主要技术指标如下:

 

  (1)频率范围:5300MHz~5600MHz

 

  (2)噪声系数:NF1.3dB

 

  (3)增益:Gp30dB

 

  (4)增益平坦度:GΔ≤1dB

 

  (5)回波损耗:Lr-15dB

 

  2.2晶体管选型

 

  体管选型主要考虑以下几点:

 

  (1)工作频段;

 

  (2)噪声系数;

 

  (3)增益要求。

 

  由于本设计工作于C波段,要求的增益比较高,噪声系数比较低,决定选用AvagoATF36077高电子迁移率晶体管。该晶体管为砷化镓(GaAs)半导体器件,具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点,非常适合机载工作环境。它能工作于2~18GHz的超宽频率范围,并且具有超低的噪声系数,在C波段增益能达到16dB以上。

 

  电路结构

 

  前面提出的指标对端口回波要求比较高,特别是输入回波,但低噪声放大器在做输入匹配的时候,输入回波跟噪声系数不能同时兼顾。为了保证良好的输入回波,本设计采用平衡式结构,在改善回波损耗的同时可以保证电路的稳定性,即其中一路出现了问题,电路仍然可以工作,这符合机载通信的高稳定性要求。

 

  增益要求30dB以上,单管难以满足要求,在此采用二级串联的结构,通过电容耦合,在实现高增益的同时还可以减小后续电路对噪声系数的恶化因子。

 

  通过链路仿真软件Syscal进行增益、噪声系数等指标的评估,从链路预算的评估结果可知,链路噪声系数为0.81dB,链路增益为31dB,能够满足设计要求,所以方案是可行的。

 

  电路级仿真采用安捷伦公司的ADS仿真软件,对Avago公司的晶体管进行电路的设计,首先进行稳定性的仿真,通过源极负反馈的形式增强稳定性,在此处采用微带的形式,一来可以增强稳定性,二来不会对噪声系数有所恶化。图3是单管的稳定性仿真原理图。是仿真所得的稳定性曲线,由可知在5~6GHz频率范围内晶体管处在稳定的状态。

 

  本设计是基于Rogers4350B30mil厚度的高频板材,介电常数Er3.66,损耗角正切为0.04,损耗较低,性能稳定,适合用于C波段的电路设计。

 

  

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