基于微波的超宽带低噪声放大器设计

基于微波的超宽带低噪声放大器设计

近年来，随着无线通信、卫星通信、全球定位系统、广播系统、高频识别和uwb通信的发展，随着新型半导体器的开发，高速数字系统和高频模拟系统的发展不断扩展，微波耳道被达到了微波段。微波放大器作为上述系统的前端关键部件,己经得到广泛的应用。而且现在对这些通信系统的要求是通信距离越来越远,接收的灵敏度越来越高,体积越来越小,相应的对微波放大器的基本要求是:①频带宽,相位线性好;②稳定性好,可靠性高;③噪声低;④动态范围大;⑤体积小,重量轻,耗电少,易于实现标准化和集成化。它随着微波低噪声晶体管的产生和工艺技术的发展而发展,四十年代末期,世界上第一只半导体三极管(双极晶体管)问世,由于其体积小、重量轻、省电等优点,受到了极大的重视,并迅速发展成为固体电子器件的一个重要分支。到六十年代中期,由于平面外延工艺的发展,双极晶体管的工作频率跨进了微波频段,出现了微波双极晶体管及其相应的放大器。随后,由于半导体材料和工艺技术的迅速发展,FET不但很快成为实用的固体器件,而且紧跟在双极晶体管之后迅速地进入了微波频段,出现了微波FET及其相应的放大器。微波双极晶体管和微波FET的并驾齐驱,使微波晶体管放大器的发展日新月异。利用晶体管,借助ADS软件设计了一种基于某UWB通信系统、频率在100M～2.0GHz的超宽带低噪声放大器。1双极型器件的选择超宽带低噪声放大器的设计首先从选择器件入手,如选择双极型晶体管,必须考虑其增益、噪声系数及带宽;同时该器件的稳定性也是不可缺少的方面。1.1放大器的噪声系数对于许多射频放大器来说,在低噪声前提下对信号进行放大是系统的基本要求。遗憾的是放大器的低噪声要求与其他参数,如稳定性、增益等相冲突。且最小噪声特性和最大增益就不能同时实现。放大器的噪声系数定义为放大器输出端的总噪声功率与输入端电阻R热噪声的可用噪声功率的比值,其值和信号源的阻抗有关。对单级放大器,其噪声系数表示为NF=NFmin+4Rn|Γs−Γopt|2(1−|Γs|2)|1−Γopt|2‚(1)ΝF=ΝFmin+4Rn|Γs-Γopt|2(1-|Γs|2)|1-Γopt|2‚(1)其中NFmin为晶体管最小噪声系数,Γopt、Rn和Γs分别为获得Fmin时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻以及信号源反射系数。当信号源反射系数等于最佳噪声反射系数时,可以获得最小噪声系数。为了保证放大器设计的最小噪声系数,放大器的输入阻抗不一定正好和信号源阻抗匹配,因而功率放大倍数不能达到最大值。这表明有时需要牺牲一些增益来保证达到放大器的最小噪声系数要求。对多级放大器而言,其噪声系数的为NF=NF1+(NF2−1)/G1+(NF3−1)/G1G2+⋯(2)ΝF=ΝF1+(ΝF2-1)/G1+(ΝF3-1)/G1G2+⋯(2)式中NFn——第n级放大器的噪声系数;Gn——第n级放大器的增益。(2)式说明对于放大器,第一级的噪声系数起着决定性的作用。第一级的增益越高则噪声系数越小。因此,设计时使第一级提供最大的增益,第二级则提供足够的功率去驱动输出晶体管,还可以调节每一级的增益使所有管子都不进入饱和状态。1.2传统双级型晶体bfp420超宽带放大器通常指频带为几个倍频程以上的多倍频程放大器,这里设计的放大器有20倍频程的带宽。微波晶体管的功率增益是随频率升高以每倍频程大约6dB的规律下降,同时增益的降低必然使驻波比变坏,噪声性能也受到影响。为了实现宽带,同时兼顾以上因素,通常采用以下方法:(1)补偿匹配网络法。能实现多倍频程性能良好,但通常会使输入和输出匹配更复杂;(2)电阻性阻抗匹配网络法。可以获得较好的输入输出匹配,但降低了增益提高了噪声;(3)平衡电路法。可以在宽频带内提供良好的匹配,但设计要求有两个晶体管和两倍的DC功率;(4)行波法。可以在较宽的带宽内有良好的增益、匹配和噪声系数,但电路庞大;(5)负反馈法。能在超宽带内实现匹配,但牺牲增益和提高了噪声系数。在此设计中采用的双级型晶体管BFP420,其增益特性如图1所示。从图中可以看出,其低频段放大倍率很高,越往高端放大倍率越低,且其噪声系数在2GHz以下小于1.05dB.综合以上考虑,采用负反馈设计方法,目的是要使得低端的增益下降,并尽量减少噪声系数的影响,同时实现小型化。2从电路结构上看根据放大器技术要求,增益、噪声系数、稳定性应作为主要指标考虑。一般来说,满足这些指标的放大管有很多。siemens的BFP420双极型晶体管完全能满足放大器的设计性能要求,而且为SMT封装,体积小,价格便宜。根据设计要求,采用两级放大器直接级联方案,其拓扑结构图如图2所示。电路采用单电源供电。第一级和第二级采用直流耦合以减小损耗,降低噪声。采用自给偏压电路使放大器在一定的温度范围内有增益补偿作用。第一级按最小噪声匹配原理进行设计,以达到低噪声要求,但放大倍数很小,第二级按最大增益原则设计匹配电路,对信号起到真正放大的作用。从结构图可以看出,电路主要由两个接地串联负反馈,一个极间负反馈,一个并联负反馈组成。电阻电容用微波片状元件串联在微波晶体管发射极与地之间。电阻值为几欧至几十欧,取决于微波管静态工作电流。电容值要对频带高端呈短路,不引入负反馈。电阻和电容尺寸必须尽量小,紧贴微波管脚跟部,不能构成传输线效应。第二种就是并联负反馈设计。电阻为几十至几百欧,取决于微波管增益的大小。电感是为了阻止高频段反馈,以维持高频段增益少受影响,电感值大约是几纳亨量级。第三种是级间反馈,增加带宽,减小带内的增益波动。通过这几个负反馈,以实现低频段增益下降,从而达到增益平坦度的目的,而负反馈的电阻、电容、电感值的选定是必须经过精确的计算。3偏置电路添加电路利用Aglient-ADS软件设计放大器。首先根据所需要的增益选取静态工作点,添加偏置电路;然后对电路的输入、输出端以及中间级联进行初步匹配设计,并完成完整的电路拓扑结构(如图3所示)。3.1号s参数优化仿真首先利用ADS软件建立的S参数仿真测试平台对其进行小信号S参数优化仿真,得出结果见图4.由优化仿真结果可以看出:增益比设计所要求的29dB要高,有很好的增益平坦度,并且噪声系数小于1.2dB,符合超宽带放大器的设计要求。3.2谐波平衡法仿真由于S参数是针对小信号的,属线性放大,而实际的输入信号经两级放大,已经属于非线性放大。故仅用S参数平台对电路仿真是不够的,还要用谐波平衡法进一步优化仿真。该方法就是将整个电路分解成线性子网络和非线性网络两部分,以区别于S参数平台的测试。其所针对的放大器的重要指标是输出功率,要求引用谐波功率平台来测试输出功率的大小以及各个频点相应的值。ADS射频仿真软件所提供的谐波平衡法可对该电路进行非线性分析。输入信号为-30dBm时,通过优化仿真,结果可见图5.从图5表示的仿真结果可以看出,增益具有很好的平坦度,基本符合设计要求。4板出板后的板片制作根据以上优化仿真的结果参数在ADS中绘制版图,精确计算各微带线的长度和宽度、电容、电阻值以及芯片的具体位置和焊接距离。按照版图制作电路板,焊接元器件,完成电路板的制作。在接下来的测试过程中,一方面注意电网的安全性并保证基板的底板有良好的接地,将做好的微带基板牢牢固定在屏蔽盒内;另一方面应绝对禁止仪器的带电连接操作和调试时的带电焊接,并随时注意焊接温度,避免基板变形、器件损坏。超宽带放大器实物图如图6所示。4.1实际测试与实际测试的比较测试流程如图7所示。测试过程中,由于矢量网络分析仪承受的功率不能过高,否则会损毁仪器,因此测试时在电路的输出端加了15.7dB的衰减,测试结果如下:根据测试结果可以看出,当电压为12V时,低端增益13.635dB,高端增益为14.568dB.实际测出的数据和CAD的仿真结果吻合得很好,只是仿真结果比实际测试的平均高出1dB,频率稍微有点偏差。造成偏差的原因可能有:基片参数的确定,电路板的制作和焊接过程造成的误差,电感值的误差,测试线的损耗等。4.2噪声试验具体的测试如图9所示。测试结果如表1所示:NF≤1.5dB.5负反馈优化设计该放大器的工作频率为100M～2.0GHz,增益约为29dB,噪声系数小于等于1.5dB.仿真测试的结果比较理想,基本达