一种0.03~1.7 GHz超宽带低噪声放大器的设计与制作

张帅

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡214072）

一种0.03~1.7 GHz超宽带低噪声放大器的设计与制作

张帅

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡214072）

为了降低接收机前端的噪声，设计了一种超宽带低噪声放大器。选用噪声较小、增益较高且工作电流较低的放大管，利用负反馈和宽带匹配技术，结合ADS和HFSS微波软件辅助设计，放大器在30 MHz~1700 MHz范围内，增益大于31 dB，平坦度小于±0.5 dB，噪声系数小于2.3 dB，驻波比小于1.6。

超宽带；低噪声放大器；负反馈；宽带匹配

1 引言

随着光纤通信、移动通信、卫星通讯、电子对抗、微波测量仪器向着更高的工作频段发展，通信质量和带宽的问题受到越来越广泛的重视。信噪比是衡量通信质量的一个重要指标，降低接收机的噪声系数（NF）是改善信噪比的关键所在。低噪声放大器（LNA）主要用于射频微波电路接收前端，对微弱的接收信号进行放大，其性能的优劣直接影响着整个接收链路的噪声系数、灵敏度和线性度等重要指标。LNA设计的基本要求是极低的NF、较高的增益、良好的稳定性和较好的增益平坦度。各项指标之间的折中选择是设计中的重点和难点[1]。利用ADS2008和HFSS微波CAD软件，设计了一种超宽带低噪声放大器，在大于20个倍频程的工作频带内，具有良好的NF、增益及平坦度。

2 电路结构设计方案

设计宽带放大器时关键是采用合理的措施补偿6 dB/倍频程的增益滚降，且保证整个频带内的稳定性，所以要考虑宽频带阻抗匹配及选择恰当的电路形式[2]。宽带放大器目前主要有分布放大器、平衡放大器、有耗匹配放大器、负反馈放大器。而负反馈放大器相比于前几种，以增加少量噪声为代价，在宽频带内能获得较好的增益平坦度和端口驻波系数，因而得到了广泛的应用[1]。

放大器的要求是：工作频段30 MHz~1700 MHz，增益大于31 dB，增益平坦小于±0.5 dB，噪声系数小于2.3 dB。综合考虑采用负反馈形式效果最佳，所以采用负反馈的形式。采用两级放大器级联的结构。第1级放大器的设计必需是最佳噪声设计,即输入匹配网络必需是最佳噪声匹配网络,不必追求最大增益;第2级放大器保证输出功率和总增益[3]。采用负反馈设计，增加带宽。1级和2级中间增加电感和电阻结构的补偿电路，调整增益平坦度。

2.1 器件选取与偏置电路

两级放大电路均选用AVAGO公司的ATF54143晶体管，具有很低的噪声、高增益、高线性度、工作电流小、供电方式简单等特性，此外，它的静态工作点较稳定，不易产生自激现象。与耗尽型晶体管相比，它不需要给栅极供负电压，可以简化PCB布板的复杂性，适用于本设计。在2 GHz以下，增益为16.6 dB，S11和S22均优于-10 dB，P1dB均大于16 dB，其NF<0.9 dB。偏置电路见图1。

图1 ATF55143偏置电路

两级放大均是单极供电。偏置电路结构简单，易调整。扼流电感用4.7 μH的绕线电感，耦合电容用COMPEX公司的100 pF芯片电容。

2.2 稳定性分析和设计

因为高增益放大器比较容易自激，所以电路的稳定性设计必不可少，此外在结构设计上及装配工艺上都要考虑稳定性因素。放大器腔体的横向宽度要小于最高频率的半波长，以避免产生腔体效应。可用HFSS软件仿真，优化腔体尺寸。在实际调试中，必要时，腔体的上盖还要贴锡箔材料或者微波吸收材料，以减小空间耦合引起的增益起伏。在版图空白处添加通孔接地，一方面为了保证散热和接地效果良好，另一方面是方便调试。该放大器在设计时应考虑可装配性，基片烧结时需用压块将射频基片压紧在腔体上，防止基片烧结空洞，影响传输线阻抗。在设计基片时，应考虑基片接地效果良好，所以在基片适当地方放置适量的接地孔和螺钉孔，并把接地孔和螺钉孔的孔壁金属化，使得整个基片接地良好[4]。

电路基板选用Rogers’公司的5880，其介电常数为2.2，厚度为0.19 mm，铜箔厚度为0.5 oz。

2.3 负反馈电路设计

如图2采用负反馈的设计来控制各指标的平衡。负反馈以牺牲放大器的增益为代价，可以减小晶体管两端口的S11和S22的幅度，使得宽带匹配更容易实现，增强低频稳定性。通过负反馈来改善增益平坦度和端口驻波，同时兼顾电路的稳定性[5]。

图2 负反馈网络

漏极和栅极之间的负反馈电路由电阻、电容、电感组成。电阻采用一定阻值的薄膜电阻，耦合电容起隔直作用，容值取100 pF，电感选用直径25 μm的金丝在准0.2 mm的漆包线上绕制而成。

要使晶体管能实现放大功能，必须保证Vds和Vgs在正常范围内，此时源级直接接地。源极电势为0 V，漏极和源极之间就能形成电势差Vds；栅极和源极之间就能形成电势差Vgs。

2.4 匹配电路设计

低噪声放大器的主要技术指标噪声系数（NF）、增益（Gain）、增益平坦度（△G）以及电压驻波比（VSWR）主要取决于电路的匹配。两级低噪声放大电路的输入匹配应按最佳噪声设计，输出电路匹配到50 Ω，实现最佳功率匹配。同时，应兼顾到增益平坦度的要求。

2.5 电路优化

利用ADS2008软件，首先对ATF54143的单片放大器进行分析，确保单片放大器的噪声参数和S参数达到最优化设计，之后级联两片放大器，再次对整个链路进行优化分析。在优化电路时，应包括主要电路的集总参数元件的分布电感和分布电容，不连续节点和金属孔化等并且需要考虑器件S参数和噪声参数的离散性。由于要同时兼顾噪声、增益、平坦度和驻波比等指标，计算过程很复杂，所以借助ADS对放大器的前后级匹配电路和整体性能参数进行调试优化。

3 电路调试

根据以上优化仿真的结果参数，在ADS中确定电容、电阻值以及芯片的具体位置和焊接距离，用Microstrip计算微带线的长度和宽度。图3是放大器装配好后的实物图。主体尺寸仅为28 mm×25 mm× 14 mm，体积小重量轻。射频接口为BJ220型波导，电源接口为Y4-4ZJBM。

图3 低噪声放大器实物图

进行初始态测试后，发现整体增益偏小，通过减小图2中级间匹配网络内的衰减实现增益的整体上升；由图4中上侧曲线可见，增益呈现出两端高中间低的趋势，带内平坦度很差，此时通过增加图2中前级放大器的栅极输入的电感量，低端增益平坦度有改善，但高端还是很差；当电感量增加到最佳值后，指标反而变差；为了优化平坦度，可以尝试单独降低高端增益，调整图2中第二级漏极负反馈网络中的电感得到图4中的下侧曲线，在1.0 GHz~1.9 GHz频带内，增益下降了1 dB，从而整个带内平坦度得到了很大改善。经上述的调试方法，得到在30 MHz~1700 MHz的频率范围内，增益大于31 dB，带内平坦度为0.8 dB。

图4 S21的测试结果

此低噪声放大器在设计时着重关注噪声，如图5所示，在整个频带内NF<2.3 dB，在50 MHz~1400 MHz（大于20个倍频程）内NF<1.8 dB。噪声系数的实测结果满足设计要求，兼顾到其他各项指标，保留结果。

图5 噪声的测试结果

测试结果（表1）表明，在0.03 GHz~1.7 GHz的超宽带范围内，增益在33 dB左右，增益平坦小于±0.5 dB，噪声系数小于2.3 dB，输入、输出驻波小于1.6，实际测试结果与仿真设计结果比较吻合。

表1 超宽带LNA测试结果

4 结束语

30 MHz~1700 MHz超宽带低噪声放大器采用负反馈技术，利用ADS2008和HFSS微波CAD软件进行优化设计，采用成熟的微电装工艺制作完成。实测得到在大于20个倍频程内具有噪声低（＜2.3 dB）、增益高（＞31 dB）、平坦度好（＜±0.5 dB）、工作电流低于120 mA、功耗小、驻波比低（＜1.6）的特点。

[1]肖勇，吴中川，白波，刘杰龙.0.2 GHz~3.2 GHz超宽带低噪声放大器的研制[J].信息与电子工程,2011.

[2]潘少祠.2.4 GHz低噪声放大器的研究[J].杭州电子科技大学学报,2005,25(4):56-59.

[3]赵云.X波段低噪声放大器设计分析[J].无线电工程，2011.

[4]钱可伟,田忠.0.1~2.8 GHz超宽带低噪声放大器的研制[J].电子元件与材料,2008.

[5]吴郑磊.微波宽带低噪声放大器的设计[D].成都:电子科技大学,2006.

Design of 0.03-1.7 GHz Ultra-wideband Low-Noise Amplifier

ZHANG Shuai
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

To reduce the noise of the receiver front end,in the paper an ultra-wideband low-noise amplifier is designed,which selects amplifier tube of low noise,low current and high gain,uses negative feedback and wideband matching technology and combines with ADS and HFSS software.The amplifier in the 30 MHz~ 1700 MHz range obtains the gain greater than 31 dB,the flatness less than±0.5 dB,noise figure less than 2.3 dB, and VSWRlessthan 1.6.

Ultra wideband;low noise amplifier;negative feedback;wideband matching

TN325+.3

A

1681-1070（2017）08-0033-03

张帅（1990—），男，江苏宿迁人，硕士研究生毕业，研究方向为微波器件，现在中国电子科技集团公司第58研究所模块室从事微波组件设计工作。

2017-5-15