高性能寬帶低噪聲放大器的研制

摘要：以薄膜混合集成電路為基礎(chǔ)，采用AL2O3精細(xì)陶瓷做襯底和國(guó)際上較先進(jìn)的共晶工藝，運(yùn)用寬帶內(nèi)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋并用的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合理論計(jì)算和仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高指標(biāo)C波段寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，為高性能寬帶低噪聲放大器研制提供了新的設(shè)計(jì)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：寬帶；低噪聲；放大器；薄膜混合集成電路；共晶工藝

0 引言
    在雷達(dá)射頻接收系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求越來越高，其中低噪聲放大器是影響著整個(gè)接收系統(tǒng)的噪聲指標(biāo)的重要因素。與普通的放大器相比，低噪聲放大器作用比較突出，一方面可以減少系統(tǒng)的雜波干擾，提高系統(tǒng)的靈敏度；另一方面可以放大系統(tǒng)的射頻信號(hào)，保證系統(tǒng)正常工作。因此，低噪聲放大器的性能制約著整個(gè)接收系統(tǒng)的性能，對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)性能的提高起了決定性的作用。因此，研制寬頻帶、高性能、更低噪聲的放大器，已經(jīng)成為微波技術(shù)中發(fā)展的核心之一。
    本文介紹的新型寬帶低噪聲放大器就是在當(dāng)前工程技術(shù)發(fā)展需求的前提下，從放大器本身的特性出發(fā)，采用薄膜混合集成電路和先進(jìn)的共晶微組裝工藝，應(yīng)用平衡式放大電路，精心研制而成的。

1 電路設(shè)計(jì)
1．1 電路原理
    設(shè)計(jì)要求整個(gè)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)小于2 dB，增益在32 dB以上，根據(jù)單片放大器目前的增益，需要設(shè)計(jì)三級(jí)放大鏈路，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

    要達(dá)到這種要求，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)必須按最小噪聲系數(shù)匹配。實(shí)際上要得到最小噪聲，輸入網(wǎng)絡(luò)往往都是失配的。但是由于指標(biāo)要求駐波比要小于2，因此，輸入網(wǎng)絡(luò)首先要兼顧端口駐波比。對(duì)于級(jí)間匹配一，既要保證噪聲要低，后級(jí)對(duì)前級(jí)的噪聲貢獻(xiàn)要低，又要保證較高的增益，其次還要兼顧兩級(jí)放大器管芯間駐波比情況。對(duì)于級(jí)間匹配二，則要求保持較高的增益以及合理的增益平坦度。對(duì)于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，除了要保證輸出功率外，還要保證整個(gè)帶內(nèi)的增益平坦度，以及良好的輸出駐波比。
1．2 偏置電路形式
    本文采用共源極接法，自偏置電路形式，單電源供電，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。此處偏置網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)電阻電源。其優(yōu)點(diǎn)是能夠提供自動(dòng)瞬時(shí)保護(hù)功能，而且，單電源供電方便。但是，電阻電源同時(shí)也會(huì)使噪聲性能惡化，而且電源的旁路電容會(huì)產(chǎn)生低頻振蕩，因此，在匹配直流電路時(shí)，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)采用合適的偏置電阻，使噪聲性能惡化最小。

1．3 平衡電橋設(shè)計(jì)
1．3．1 耦合器設(shè)計(jì)原理
    由于采用了平衡式電路，所以，首先需要設(shè)計(jì)3 dB定向耦合器。在此選用交指線耦合器。交指線耦合器是一種多導(dǎo)體耦合器，其優(yōu)點(diǎn)是：體積??；與雙耦合線器件比較，它的線間距離較大，容易實(shí)現(xiàn)；與分支線耦合比較，它帶寬寬。關(guān)于這種3 dB交指線耦合器在目前尚沒有精確的設(shè)計(jì)方法。一般情況下，其耦合度按以下的三個(gè)設(shè)計(jì)方程來計(jì)算，電路的作用就是完成這種阻抗轉(zhuǎn)換的。
   
    根據(jù)以上的方程，只要知道了Zoo和Zoe，查表便可以求出物理尺寸之比，再經(jīng)過仿真進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1．3．2 平衡電橋仿真
    采用精細(xì)陶瓷基片，其介電常數(shù)為εr=9．8。利用ADS軟件進(jìn)行仿真如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

1．4 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)
1．4．1 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和寬帶設(shè)計(jì)
    由于采用平衡電路，因此，輸入、輸出駐波比可以放在最后整體仿真時(shí)考慮。仿真時(shí)，重點(diǎn)考慮穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)、增益和增益平坦度。
    首先，進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。根據(jù)絕對(duì)穩(wěn)定的充分必要條件：K>1和|△|<1。
   
   
    根據(jù)其S參數(shù)(見表1)，計(jì)算可得，在4～8 GHz的帶寬內(nèi)，0<K<1，|△|<1，潛在不穩(wěn)定。在電路中加入平衡電橋做仿真顯示，電路中的K>1，此時(shí)，整個(gè)電路將變成絕對(duì)穩(wěn)定。因此，采用電橋?qū)⑹沟谜麄€(gè)電路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。
    再次，需要對(duì)放大器進(jìn)行寬帶內(nèi)的設(shè)計(jì)。從本質(zhì)上講，寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)就是要求在一個(gè)相對(duì)較寬的頻率范圍內(nèi)，保持放大器的增益不變。為此，應(yīng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)或者反饋網(wǎng)絡(luò)，在保持最佳噪聲系數(shù)的情況下補(bǔ)償|S21|隨頻率的變化。一般來講，設(shè)計(jì)寬帶低噪聲放大器有兩種通用技術(shù)：補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)用負(fù)反饋電路。在平衡電路中，噪聲通常是按最佳噪聲來設(shè)計(jì)的。但是，由于按最佳噪聲設(shè)計(jì)往往以犧牲增益為前提，而如果按最大增益設(shè)計(jì)，往往噪聲性能又將惡化。所以，為了二者兼顧，折衷考慮。按最佳噪聲設(shè)計(jì)出的放大器帶寬往往是很窄的，所以在做寬帶匹配電路時(shí)，輸入、輸出端往往是失配的。本文的設(shè)計(jì)思路是：采用補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)與負(fù)反饋電路相結(jié)合的技術(shù)，利用平衡電橋來獲得最佳輸入和輸出VSWR；利用負(fù)反饋來補(bǔ)償隨頻率變化的|S21|，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。二者結(jié)合最終達(dá)到所需要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
    最后，將對(duì)上述的低噪聲晶體管，利用ADS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)成一個(gè)單片，并保證良好的輸入／輸出比、低的噪聲系數(shù)、高的增益，并把設(shè)計(jì)好的單片作為放大器的第一級(jí)。在這個(gè)前提下，再進(jìn)行級(jí)聯(lián)，而且，級(jí)聯(lián)的第二級(jí)也需要保證設(shè)計(jì)的噪聲系數(shù)小。由于總增益在32 dB以上，根據(jù)晶體管的S參數(shù)，兩級(jí)增益達(dá)不到要求，因此，需要三級(jí)級(jí)聯(lián)。最后一級(jí)，要有高的增益特性和良好的線性度。這樣，放大器的增益特性、噪聲特性、輸入／輸出特性，功率特性等都可以保證實(shí)現(xiàn)。
1．4．2 整體仿真
    采用精細(xì)陶瓷基片，介電常數(shù)εr=9．8。選取富士通FHX系列，利用ADS進(jìn)行仿真，電路原理圖如圖5所示。

    三級(jí)級(jí)聯(lián)后，仿真結(jié)果如圖6所示。

    根據(jù)指標(biāo)要求，整個(gè)電路的噪聲小于1．6 dB，輸入輸出駐波比小于1．7，增益在35～37．1 dB之間。設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求。

2 裝配和測(cè)試結(jié)果
2．1 裝配和調(diào)試
    各單片加工完成之后，采用共晶工藝進(jìn)行焊接，并利用導(dǎo)電膠將芯片粘接在底部基片上。共晶工藝具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱阻小、穩(wěn)定性好、可靠性高等一系列的優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)際上比較先進(jìn)的工藝。導(dǎo)電膠粘接技術(shù)工藝性好、固化容易、固化物致密、粘接力強(qiáng)。由于其耐熱
性有限，因此導(dǎo)電膠的固化溫度和固化時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)粘接強(qiáng)度影響較大。一般采用合適的溫度和時(shí)間來固化達(dá)到較理想的效果。
    設(shè)計(jì)完成后，對(duì)帶內(nèi)平坦度進(jìn)行調(diào)試。通過在電路中敏感部位改變?nèi)菪院透行缘拇笮碚{(diào)節(jié)平坦度，使其滿足指標(biāo)，如圖7所示。

2．2 測(cè)試結(jié)果
    噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果見表2。

    增益和駐波比測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

    1dB壓縮點(diǎn)測(cè)試，結(jié)果見表3。

    測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)值與理論設(shè)計(jì)值吻合得較好，表明這種設(shè)計(jì)方法可取。

3 結(jié)論
    C波段寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外已有一些研究，但是該滿足寬帶高性能指標(biāo)要求的工程設(shè)計(jì)案例還不多。該設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)、增益、增益平坦度、輸入輸出駐波比以及1 dB壓縮點(diǎn)的功率均達(dá)到和超過指標(biāo)要求，并且該放大器在整個(gè)C波段表現(xiàn)性能優(yōu)良。因此，在雷達(dá)和電子對(duì)抗等工程領(lǐng)域可以得到廣泛應(yīng)用。另外，在C波段寬帶低噪聲放大器的小型化和集成化設(shè)計(jì)上還需進(jìn)一步探索。