基于超導(dǎo)接收機(jī)前端的低溫低噪聲放大器設(shè)計(jì)

引言

隨著現(xiàn)代無線通信、微波測(cè)量、電子對(duì)抗等技術(shù)的高速 發(fā)展，一些工作特定環(huán)境下的接收機(jī)需要更高的性能要求。 高溫超導(dǎo)接收機(jī)(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(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生，高溫超導(dǎo)接收機(jī)前端由高溫超導(dǎo)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(jī)第一級(jí)有源器件，其噪聲性能直接決定了 接收機(jī)的靈敏度。文獻(xiàn)［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(zhì)量。 目前，HTS receiver在雷達(dá)、通信、射電天文接收機(jī)中得到廣 泛的應(yīng)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(shí)達(dá)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(shè)計(jì)要求，在 500?700 MHz頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出能優(yōu)異的CLNA,這必須 權(quán)衡低NF、高增益，無條件穩(wěn)定等因素，無疑增加了設(shè)計(jì)難度。 本文最終實(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的常溫低噪聲放大器直接應(yīng)用于低溫環(huán)境中通 常不能滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于低溫低噪聲放大器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)直接在低溫下調(diào)整還難以實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)［2］給出了一種低溫低噪聲 放大器的預(yù)修正設(shè)計(jì)方案，綜合利用仿真軟件和實(shí)測(cè)結(jié)果來 獲取晶體管的低溫參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(cè)試結(jié)果，預(yù)修正與驗(yàn)證設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)選用安 捷倫公司的增強(qiáng)型PHEMT器件ATF-54143，它不僅具有極低 的噪聲與較高的增益，同時(shí)可以消除HEMT器件在低溫下的 深電子陷阱效應(yīng)。

1.2放大器穩(wěn)定型設(shè)計(jì)

在理想放大器中S12為零，放大器會(huì)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(dǎo)致放大器穩(wěn)定性變差甚至自激，過高的增益亦會(huì)造成反饋 功率變大，導(dǎo)致不穩(wěn)定［3］。因此設(shè)計(jì)放大器必須保證放大器 在工作頻段內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定。放大器的絕對(duì)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(shí)滿 足上述兩個(gè)條件才能保證放大器是絕對(duì)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(duì)穩(wěn)定的。 對(duì)于潛在不穩(wěn)定管子，常見的改善穩(wěn)定性方法有:源級(jí)負(fù)反饋, 一般使用無耗感抗負(fù)反饋，實(shí)際電路中，常使用微帶線Ls來 構(gòu)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(fù)阻抗部分，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致噪聲系數(shù)惡化。綜合考慮管子特 性及設(shè)計(jì)要求，最終使用源級(jí)負(fù)反饋和阻性元件并聯(lián)反饋結(jié) 構(gòu)，反饋結(jié)構(gòu)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(huì)隨著溫度減低得到顯著下降。 本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)達(dá)到設(shè)計(jì)所需增益要求，通過PI型阻性 衰減器來提高級(jí)間隔離度。其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3放大器電路設(shè)計(jì)

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

直流偏置設(shè)計(jì)包括了 PHEMT管的靜態(tài)工作點(diǎn)及工作狀 態(tài)的選取和偏置電路設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)選取3 V、60 mA工作點(diǎn)。 首要滿足最小噪聲的同時(shí)，依靠?jī)杉?jí)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(shí)需要做到與交 流電路部分達(dá)到良好的隔離。在LNA電路設(shè)計(jì)中，使用隔直 電容G、C4來抑制直流偏置電壓對(duì)前后級(jí)器件的影響。

匹配電路設(shè)計(jì)：低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和放大電路的 匹配網(wǎng)絡(luò)有著緊密的聯(lián)系，二端口放大器噪聲系數(shù)表達(dá)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(dāng)Γopt=ΓS時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳噪聲匹配。因此放大器的第一級(jí)按照最小噪聲設(shè)計(jì)同時(shí)適當(dāng)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(jí)設(shè)計(jì)兼顧噪聲和增益。根據(jù)ADS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，添加微帶與焊盤，聯(lián)合仿真最后達(dá)到仿真結(jié)果如圖4所示。

根據(jù) ADS 仿真設(shè)計(jì)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(shí)物如圖 2 所示。

2 電路調(diào)整及實(shí)測(cè)結(jié)果

將放大器置于 77 K 溫度的液氮環(huán)境中，初次測(cè)試結(jié)果與

設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生變化，首先我們需要增加?xùn)艠O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(cè)試顯示惡化嚴(yán)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(shí)測(cè)低溫 S11 與 NF 情況，結(jié)合靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)圖 1中反饋電阻 Rf 的值直接關(guān)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(huì)惡化輸入駐波，減小 Rf 改善了駐波但會(huì)惡化噪聲，權(quán)衡整個(gè)設(shè)計(jì)，我們選擇了一個(gè)最優(yōu)的 Rf 值，最后使得噪聲與駐波均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。最終實(shí)現(xiàn)的放大器測(cè)試結(jié)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(jié)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(shí)候添 加冗余量的重要性。由常溫和低溫測(cè)試結(jié)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(diǎn)，這就造成了 Sn的部 分惡化，我們需要根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合常溫、低溫調(diào)試來修 正電路模型，最終實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)。

3結(jié)語(yǔ)

本文介紹了 P波段低溫低噪聲放大器的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程, 對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析與說明，并成功制備LNA樣品，對(duì) 各項(xiàng)指標(biāo)分別在常溫和低溫下進(jìn)行測(cè)試，很好地完成了設(shè)計(jì)目 標(biāo)，低溫下優(yōu)良的性能達(dá)到超導(dǎo)接收機(jī)前端的要求。

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