王 瀟，申呈潔，錢國明

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，南京 210003)

氣象探空雷達中平衡式低噪聲放大器設(shè)計

王 瀟，申呈潔，錢國明

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，南京 210003)

為了提高L波段氣象探空雷達中射頻前端的穩(wěn)定性，采用ATF54143晶體管設(shè)計了一種平衡式結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器。通過使用ADS軟件對該低噪聲放大器進行了優(yōu)化、仿真，并進行了實物加工。實物測試表明，該低噪聲放大器帶內(nèi)增益大于15dB，噪聲系數(shù)小于1dB，穩(wěn)定性系數(shù)大于1。

探空雷達；平衡式放大技術(shù)；低噪聲放大器；定向耦合器

0 引 言

L波段探空雷達是我國目前氣象監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)重要的探測設(shè)備。在使用探空雷達進行作業(yè)時，系統(tǒng)穩(wěn)定性是探空作業(yè)成功與否的第一要素[1]。L波段氣象探空雷達結(jié)構(gòu)主要包括天饋線系統(tǒng)、射頻接收系統(tǒng)、天控系統(tǒng)等。低噪聲放大器(LNA, Low Noise Amplifier)多用于雷達射頻接收系統(tǒng)的第一個有源模塊，其主要功能是在引入較少噪聲的情況下盡量放大輸入小信號，從而在低功率點上保證所需的信噪比。對于大信號，LNA應做到在不失真的情況下放大輸入信號，從而消除信道串擾。因此，合適的LNA設(shè)計在雷達射頻接收系統(tǒng)設(shè)計中占有非常重要的地位[2]。

常見的LNA有單端式和平衡式兩種。單端式LNA的輸入輸出回波損耗較差，匹配很困難，且溫度變化對放大器整體性能影響較大，時間用久了穩(wěn)定性會變差，但因為只用到一個晶體管，所以制成電路板的尺寸會相對較小，集成度較好。而平衡式LNA通過兩個90°耦合器消除了來自兩個相同放大器的輸入和輸出反射，從而使得阻抗匹配比單端式LNA簡單許多，且平衡式LNA的可靠性也比單端式LNA要高，因為兩個晶體管中若有一個損壞，另一個還可繼續(xù)發(fā)揮作用，只是增益略有下降[3]。

LNA設(shè)計需要同時考慮到諸多因素，如高增益、低噪聲系數(shù)、良好的輸入輸出匹配、穩(wěn)定度及線性要求。這些因素同等重要，且相互之間并不完全獨立。低噪聲系數(shù)與最佳輸入匹配在沒有反饋回路下不可同時獲得，絕對穩(wěn)定在很多情況下需犧牲部分增益作為補償，高IP3需要高電流，而最小噪聲系數(shù)通常需要電流較低。

本文針對L波段氣象探空雷達中射頻前端高穩(wěn)定性的需求，采用Avago公司芯片ATF54143晶體管進行了平衡式低噪聲放大器的設(shè)計與實現(xiàn)，對平衡式低噪聲放大器中3 dB耦合器、功率增益、穩(wěn)定性及噪聲系數(shù)進行了理論分析，并通過使用ADS軟件對平衡式低噪聲放大器外圍電路及阻抗匹配進行了搭建并仿真優(yōu)化，完成了電路仿真設(shè)計以及制板和實物測試。

1 平衡式低噪聲放大器設(shè)計架構(gòu)

1.1 平衡式放大結(jié)構(gòu)

平衡式放大結(jié)構(gòu)由兩個3 dB定向耦合器與兩個晶體管放大器組成，如圖1所示，Q1和Q2為兩個性能一致的場效應管。輸入端的耦合器稱為功率分配器，將輸入信號分成功率相等、相位相差90°的兩個信號，送給場效應管Q1和Q2。輸出端的耦合器稱為功率合成器，將相差90°的兩個信號合成為同相信號輸出[4]。

圖1 平衡式放大器的結(jié)構(gòu)

1.2 3 dB 90°相移定向耦合器原理分析

一個平衡式放大器需要著重考慮的是射頻信號的功率分配與耦合，功率分配和功率耦合通過功分器和耦合器實現(xiàn)。功分器和耦合器都是無源器件，能夠以微帶線的形式實現(xiàn)或通過表面封裝體實現(xiàn)。

常見的耦合器有Wilkinson耦合器、分支線耦合器與Lange耦合器。但是，Wilkinson耦合器一個臂上需要有額外的90°微帶線，Lange耦合器的主要缺點是實用問題，因為這些線很窄且又緊靠在一起，加工起來相當困難。在射頻微波電路中，經(jīng)常用到多端口網(wǎng)絡(luò)，分支線定向耦合器是最常用的多端口網(wǎng)絡(luò)。它在電路中起到了十分重要的作用，能在固定的參考相位的條件下，分開和組合射頻微波端口[5-6]。

3 dB定向耦合器(圖2)的作用是把一路信號分成兩路信號，且這兩路信號之間相位相差為90°。

圖2 3 dB 90°相移定向耦合器示意圖

其S參數(shù)表示為

(1)

定向耦合器性能的主要技術(shù)指標有耦合度、定向性、隔離度、輸入電壓駐波比[7]。

(1) 耦合度C

當端口1接信號源且端口2、3、4均接匹配負載時，端口1的輸入功率P1與端口2的輸出功率P2之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的耦合度C，則

(2)

(2) 方向性系數(shù)D

端口2的輸出功率P2與端口3的輸出功率P3之比的分貝數(shù)為定向耦合器的方向性系數(shù)D，則

(3)

(3) 隔離度I

端口1的輸入功率P1與端口3的輸出功率P3之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的隔離度I，則

(4)

(4) 輸入電壓駐波比

當定向耦合器直通端口4、反向耦合端口2、隔離端口3都匹配負載時，在輸入端口1處測量到的駐波系數(shù)為輸入電壓駐波比。

1.3 低噪聲放大器的性能分析

1.3.1 功率增益

放大器的轉(zhuǎn)換功率增益GT定義為負載吸收功率與信號源的資用功率(available power)之比：

(5)

(6)

1.3.2 穩(wěn)定性分析

放大器電路工作的首要條件是在工作頻段內(nèi)保持絕對穩(wěn)定，否則將會導致電路的振蕩，必須滿足

|ΓL|<1, |ΓS|<1

(7)

(8)

(9)

其中，△=S11S22-S12S21,最后得出絕對穩(wěn)定的條件為

|△|<1

(10)

(11)

1.2.3 噪聲系數(shù)分析

噪聲系數(shù)定義為輸入端口的信號與噪聲比跟輸出端口信號與噪聲比之比。若把放大器電路看作一個二端口網(wǎng)絡(luò)，則噪聲系數(shù)為

(12)

其中,Vn為二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲電壓源，In為噪聲電流源，Rin為二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，B為測量系統(tǒng)的噪聲帶寬。為了計算最佳源阻抗Zopt，通過一系列變換可得

(13)

1.4 設(shè)計指標

平衡式結(jié)構(gòu)的應用配置確保了好的輸入輸出匹配，幫助提高穩(wěn)定性。功分耦合網(wǎng)絡(luò)必須低損耗、尺寸小，在使用帶寬上要有好的相位及幅度匹配。ATF54143在2GHz處的性能指標指標如表1所示，其中增益與噪聲系數(shù)是整個電路設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。

表1 ATF54143低噪聲放大器性能指標

2 平衡式低噪聲放大器設(shè)計與仿真

2.1 3 dB耦合器設(shè)計

采用國內(nèi)普遍使用的FR-4基板，并利用ADS自帶的LineCalu工具計算耦合器縫寬和線寬，設(shè)計原理圖如圖3所示。

使用ADS進行仿真與優(yōu)化后，3 dB耦合器仿真S參數(shù)如圖4所示。從仿真結(jié)果可以看出，此3 dB耦合器在頻點2 GHz處耦合度接近-3 dB，隔離度小于-30 dB，在頻段1.6～2.4 GHz內(nèi)耦合度在-3.8 dB左右，基本達到設(shè)計要求。

圖3 3 dB90°相移定向耦合器

2.2 直流仿真及偏置電路設(shè)計

直流偏置網(wǎng)絡(luò)為晶體管提供合適的靜態(tài)工作點。一個合適的靜態(tài)工作點可以減少環(huán)境波動及電源電壓變化，以保證最小的諧波失真，確保信號的線性放大。參照ATF54143的數(shù)據(jù)手冊，選擇Vds=3 V及Ids=60 mA作為靜態(tài)工作點，通過直流掃描可得Vgs=0.60 V。偏置網(wǎng)絡(luò)采用分壓拓撲結(jié)構(gòu)，計算公式如下：

(14)

(15)

(16)

其中，IR1R2為流過R1和R2的電流，Ids為晶體管的靜態(tài)偏置電流，Vdd為電源電壓，Vds為晶體管的漏極電壓，偏置設(shè)計電路仿真如圖5所示。

圖5 偏置電路設(shè)計仿真圖

2.3 輸入與輸出電路匹配

平衡式低噪聲放大器設(shè)計中最重要的部分為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，它對于提高穩(wěn)定性、降低噪聲系數(shù)及提高功率都起著十分重要的作用。輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗的設(shè)計著重點不同。對于輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)而言，設(shè)計主要是為了能夠獲得最大增益和增益平坦度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低輸入反射系數(shù)；輸出匹配電路的設(shè)計重點主要考慮增益、各階諧波一致、降低損耗及反射系數(shù)。匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計電路圖如圖6所示。

圖6 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計電路圖

3 平衡式低噪聲放大器實物測試結(jié)果

平衡式放大器由上下兩路完全一樣的放大電路組成。為保證整個電路設(shè)計指標能夠滿足，要使得上下兩路的偏置電路、輸入匹配電路及輸出匹配電路完全一樣，且3 dB定向耦合器也必須完全對稱。在使用ADS仿真后，可知系統(tǒng)絕對穩(wěn)定，噪聲系數(shù)在帶寬內(nèi)小于1，均達到設(shè)計指標，如圖7所示。

經(jīng)過實物加工，平衡式低噪聲放大器實物電路如圖8所示。

圖7 穩(wěn)定性系數(shù)與噪聲系數(shù)

圖8 LNA實物電路圖

實物加工完后，通過采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量該平衡式低噪聲放大器的S參數(shù)。將電源電壓調(diào)至5 V，并對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行校準，輸入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的補償值，測試結(jié)果如圖9和圖10所示。

由仿真結(jié)果及以上測試曲線圖可知，所設(shè)計的平衡式低噪聲放大器的噪聲系數(shù)、增益、穩(wěn)定性都達到設(shè)計指標。

圖9 S11與S12測試曲線圖

圖10 S21與S22測試曲線圖

4 結(jié)束語

針對L波段氣象探空雷達中射頻前端高穩(wěn)定性的需求，本文采用Avago公司的ATF54143晶體管設(shè)計了一種平衡結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器。此平衡式低噪聲放大器由兩個耦合器與兩個相同的晶體管放大器組成，兩個耦合器消除了來自兩個相同放大器的輸入和輸出反射，從而使得阻抗匹配比單端式LNA簡單許多。同時，平衡式LNA的兩個晶體管中若有一個損壞，另一個還可繼續(xù)工作，只是增益略有下降，從而使得整個雷達射頻前端系統(tǒng)的可靠性提高。通過實物測試表明，此平衡式低噪聲放大器帶內(nèi)增益大于15 dB，噪聲系數(shù)小于1 dB，穩(wěn)定性系數(shù)大于1，達到設(shè)計目標，滿足了L波段氣象探空雷達中射頻前端的性能要求，并對以后進行穩(wěn)定性需求高的射頻前端接收系統(tǒng)設(shè)計有重要的參考意義。

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Design of a balanced low noise amplifier in meteorological sounding radars

WANG Xiao, SHEN Cheng-jie, QIAN Guo-ming

(College of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003)

A balanced low noise amplifier (LNA) is designed with the adoption of the ATF54143 transistor to improve the stability of the RF front end in L-band meteorological sounding radars. The LNA is optimized and simulated through the ADS software, and then processed. The LNA test indicates that the in-band gain is more than 15dB, the NF is less than 1dB, and the stability factor is more than 1.

sounding radar; balanced amplification technique; low noise amplifier; directional coupler

2014-04-05；

2014-05-09

廣東省教育部產(chǎn)學研結(jié)合項目(項目編號：2011B090400296)

王瀟(1987-)，男，碩士研究生，研究方向：射頻與微波電路設(shè)計；申呈潔(1988-), 碩士，研究方向：射頻與微波電路設(shè)計；錢國明(1964-)，男，教授，研究方向：無線通信技術(shù)與信號處理。

TN722.3

A

1009-0401(2014)02-0048-05