基于超導接收機前端的低溫低噪聲放大器設計

引言

隨著現(xiàn)代無線通信、微波測量、電子對抗等技術的高速 發(fā)展，一些工作特定環(huán)境下的接收機需要更高的性能要求。 高溫超導接收機(High temperature superconducting receiver， HTS receiver)前端則以其高靈敏度、高選擇性、極低噪聲等 特點應運而生，高溫超導接收機前端由高溫超導濾波器和低溫 低噪聲放大器(Cryogenic Low Noise Amplifier，CLNA)組成。 CLNA作為接收機第一級有源器件，其噪聲性能直接決定了 接收機的靈敏度。文獻［1］顯示，在常用通訊頻段中，60 K低 溫下的放大器噪聲系數(shù)(Noise Figure，NF)較之常溫下的噪 聲系數(shù)下降約0.4 dB，這可極大提高通信的傳輸效率和質量。 目前，HTS receiver在雷達、通信、射電天文接收機中得到廣 泛的應用。

近年來，通過低溫冷卻LNA中的高電子遷移率晶體管 (High Electron Mobility Transistor， HEMT)使得低噪聲放大 器快速發(fā)展并大幅提高了其性能。但HEMT管難以在幾百兆 赫茲頻率范圍工作的的同時達到較小噪聲，亦是 工作在800 MHz及以上頻率范圍。本文根據(jù)設計要求，在 500?700 MHz頻率范圍內(nèi)設計出能優(yōu)異的CLNA,這必須 權衡低NF、高增益，無條件穩(wěn)定等因素，無疑增加了設計難度。 本文最終實現(xiàn)77 K液氮低溫環(huán)境下：噪聲系數(shù)小于0.5 dB， 增益大于30 dB，反射系數(shù)小于-15 dB。

1低溫低噪聲放大器的設計與仿真

1.1器件選擇

由于器件在低溫下的工作特性與常溫環(huán)境下不同，通過 常規(guī)手段設計的常溫低噪聲放大器直接應用于低溫環(huán)境中通 常不能滿足設計要求。對于低溫低噪聲放大器的網(wǎng)絡參數(shù)直接在低溫下調(diào)整還難以實現(xiàn)，文獻［2］給出了一種低溫低噪聲 放大器的預修正設計方案，綜合利用仿真軟件和實測結果來 獲取晶體管的低溫參數(shù)，進而進行設計。但是，本次我們并 沒有提取低溫參數(shù)，而是通過選取熟悉的器件，參考常溫特 性及低溫環(huán)境測試結果，預修正與驗證設計。本次設計選用安 捷倫公司的增強型PHEMT器件ATF-54143，它不僅具有極低 的噪聲與較高的增益，同時可以消除HEMT器件在低溫下的 深電子陷阱效應。

1.2放大器穩(wěn)定型設計

在理想放大器中S12為零，放大器會無條件穩(wěn)定。但微波 晶體管存在內(nèi)部反饋，晶體管的$12即表示內(nèi)部反饋量，可能 導致放大器穩(wěn)定性變差甚至自激，過高的增益亦會造成反饋 功率變大，導致不穩(wěn)定［3］。因此設計放大器必須保證放大器 在工作頻段內(nèi)絕對穩(wěn)定。放大器的絕對穩(wěn)定條件是：

式中："為晶體管的S參數(shù)，K稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)，同時滿 足上述兩個條件才能保證放大器是絕對穩(wěn)定的。通過ADS仿 真可以看出來ATF-54143在工作頻段內(nèi)并不是絕對穩(wěn)定的。 對于潛在不穩(wěn)定管子，常見的改善穩(wěn)定性方法有:源級負反饋, 一般使用無耗感抗負反饋，實際電路中，常使用微帶線Ls來 構成；輸入、輸出端口串并聯(lián)電阻，用來抵消自激震蕩引來的 負阻抗部分，但同時會導致噪聲系數(shù)惡化。綜合考慮管子特 性及設計要求，最終使用源級負反饋和阻性元件并聯(lián)反饋結 構，反饋結構引入阻性元件Rf可以減少增益紋波、降低寬帶 匹配難度，其引入的的噪聲會隨著溫度減低得到顯著下降。 本設計采用兩級級聯(lián)達到設計所需增益要求，通過PI型阻性 衰減器來提高級間隔離度。其電路結構如圖1所示。

1.3放大器電路設計

放大器電路設計包括直流偏置設計，直流隔離設計，匹 配電路設計，版圖聯(lián)合仿真優(yōu)化。

直流偏置設計包括了 PHEMT管的靜態(tài)工作點及工作狀 態(tài)的選取和偏置電路設計，本次設計選取3 V、60 mA工作點。 首要滿足最小噪聲的同時，依靠兩級放大來提高增益。在保 證將偏置電壓正確送入到PHEMT管腳的同時需要做到與交 流電路部分達到良好的隔離。在LNA電路設計中，使用隔直 電容G、C4來抑制直流偏置電壓對前后級器件的影響。

匹配電路設計：低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和放大電路的 匹配網(wǎng)絡有著緊密的聯(lián)系，二端口放大器噪聲系數(shù)表達式為：

式中：Fmin表示晶體管噪聲系數(shù)的最小值，rn為晶體管的等效噪聲電阻，Γopt為最佳源反射系數(shù)，ΓS為源反射系數(shù)。由此可見，當Γopt=ΓS時，可實現(xiàn)最佳噪聲匹配。因此放大器的第一級按照最小噪聲設計同時適當兼顧駐波特性，輸入端反射系數(shù)ΓS選Γopt附近，放大器第二級設計兼顧噪聲和增益。根據(jù)ADS軟件進行設計優(yōu)化，添加微帶與焊盤，聯(lián)合仿真最后達到仿真結果如圖4所示。

根據(jù) ADS 仿真設計的版圖制成 PCB 電路，使用村田0603 封裝元件焊接。為了保證良好的接地，PCB 使用大量過孔安裝到屏蔽盒地板上，屏蔽盒采用黃銅材料，最終制作的LNA 實物如圖 2 所示。

2 電路調(diào)整及實測結果

將放大器置于 77 K 溫度的液氮環(huán)境中，初次測試結果與

設計有不小偏差，這一方面是由于分立元件的離散性和焊接引起的各種寄生參數(shù)影響，另一重要原因是晶體管在低溫環(huán)境下性能參數(shù)的顯著變化。在低溫環(huán)境中，晶體管的 V ～ I 特性會發(fā)生變化，首先我們需要增加柵極電壓來維持晶體管的漏極電流，保證放大器工所需的偏置條件，測試顯示惡化嚴重的輸入駐波得到了改善。 在保證低噪聲的情況下，我們根據(jù)實測低溫 S11 與 NF 情況，結合靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)圖 1中反饋電阻 Rf 的值直接關系輸入駐波和噪聲。液氮環(huán)境中，增大 Rf 可以減小噪聲，但會惡化輸入駐波，減小 Rf 改善了駐波但會惡化噪聲，權衡整個設計，我們選擇了一個最優(yōu)的 Rf 值，最后使得噪聲與駐波均達到了設計要求。最終實現(xiàn)的放大器測試結果如圖 3 ～圖 6 所示，由圖 3 可見放大器在低溫下的噪聲系數(shù)下降約 0.5 dB，極大地提高了放大器的性能。

參考其仿真結果，我們發(fā)現(xiàn)由分立元件焊接的放大器性 能易出現(xiàn)惡化，增益減小駐波變差等，這說明在仿真時候添 加冗余量的重要性。由常溫和低溫測試結果圖發(fā)現(xiàn)，按照最 小噪聲兼顧輸入駐波匹配的電路在低溫環(huán)境下，其器件特性 的變化使得之前的匹配并不是在最優(yōu)點，這就造成了 Sn的部 分惡化，我們需要根據(jù)模擬結果，結合常溫、低溫調(diào)試來修 正電路模型，最終實現(xiàn)電路設計。

3結語

本文介紹了 P波段低溫低噪聲放大器的設計和調(diào)試過程, 對出現(xiàn)的問題進行了分析與說明，并成功制備LNA樣品，對 各項指標分別在常溫和低溫下進行測試，很好地完成了設計目 標，低溫下優(yōu)良的性能達到超導接收機前端的要求。

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