付 鯤，朱紅雷，劉 偉，仝 飛

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

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平衡式寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)

付 鯤，朱紅雷，劉 偉，仝 飛

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

針對現(xiàn)代通信對于通信數(shù)據(jù)容量的需求，接收機(jī)的前端電路的低噪聲放大器需要滿足寬帶設(shè)計(jì)指標(biāo)。平衡式放大器結(jié)構(gòu)的使用和對耦合器優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在滿足寬帶設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，降低產(chǎn)品成本。使用射頻仿真軟件ADS對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，結(jié)果證明了理論的可行性。設(shè)計(jì)的平衡式低噪聲放大器實(shí)現(xiàn)了1.313 GHz從1.434～2.747 GHz的頻率帶寬，設(shè)計(jì)完成的平衡式寬帶低噪聲放大器噪聲系數(shù)0.567±0.033 dB，增益系數(shù)15.5±2.25 dB，電路的輸入端和輸出端最大反射分別為-19.78 dB和-16.586 dB。

平衡式寬帶；蘭格耦合器；高電子遷移率晶體管；低噪聲；先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

低噪聲放大器[1-2]是雷達(dá)、基站接收機(jī)[3-5]前端的重要組成部件，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)包括噪聲系數(shù)、增益、增益平坦度、線性度和輸出功率等技術(shù)指標(biāo)，其中噪聲系數(shù)、增益和工作帶寬是最為重要的指標(biāo)。針對接收機(jī)[6]前端低噪聲放大器的研究重點(diǎn)主要集中在提高工作帶寬上。

因?yàn)樯漕l的輸入端和輸出端反射以及增益每倍頻降低6 dB，所以設(shè)計(jì)的接收機(jī)很難在較寬的帶寬內(nèi)正常工作。針對接收機(jī)的較大的工作帶寬的要求，采用良好的半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)出的晶體管放大器的工作帶寬性能較好；其次通過結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，平衡式的結(jié)構(gòu)也可以展寬帶寬。在采用平衡式放大器的基礎(chǔ)上對3 dB耦合器進(jìn)行了改進(jìn)，針對蘭格耦合器的加工精度要求較高的問題，通過級聯(lián)的方式可以在基本不降低耦合器性能的前提下，降低加工精度的要求。最后將設(shè)計(jì)的耦合器應(yīng)用于平衡式放大器的設(shè)計(jì)。

1 平衡式放大器的結(jié)構(gòu)

平衡放大器[7-8]的拓?fù)潆娐啡鐖D1所示，輸入信號經(jīng)過3 dB蘭格耦合器分成兩路幅度相等但相位相差90°的分量，分別經(jīng)過兩個(gè)完全相同的采用砷化鎵工藝的結(jié)型場效應(yīng)晶體管放大器，最后將兩路放大器輸出的信號在3 dB蘭格耦合器上合成為一路輸出信號。因?yàn)?°和180°相位差的信號相互抵消，所以兩個(gè)放大器的輸入反射在平衡結(jié)構(gòu)的正交混合網(wǎng)絡(luò)的輸入端相互抵消，同理輸出反射在輸出端的正交混合網(wǎng)絡(luò)上也相互抵消。

由圖1可以得到傳輸系數(shù)S21、反射系數(shù)S11的表達(dá)式，其中GA和GB為放大器的增益，ΓA和ΓB為放大器的反射系數(shù)。

圖1 平衡式放大其結(jié)構(gòu)

(1)

(2)

如果兩個(gè)放大器完全相同，可以推出S11=0，輸出端的反射系數(shù)的推導(dǎo)同輸入端的反射系數(shù)，從而平衡式結(jié)構(gòu)能夠較好地展寬帶寬。

1.1 蘭格耦合器的設(shè)計(jì)

正交3 dB混合網(wǎng)絡(luò)是一種重要的無源微波器件，廣泛應(yīng)用于平衡式混頻器，放大器，相移器。因?yàn)槠胶馐椒糯笃麟娐返膸捴饕烧换旌暇W(wǎng)絡(luò)的帶寬決定，蘭格耦合器[3-4]理論上能夠達(dá)到一個(gè)倍頻程或更寬的帶寬，所以蘭格耦合器比分支線混合網(wǎng)絡(luò)更適合應(yīng)用于平衡式放大器。蘭格耦合器通過λg/4長度的交叉指型耦合線的緊耦合獲得寬頻帶性能，為了獲得3 dB的耦合系數(shù)，耦合線的寬度W和耦合線之間的間隙S較窄，例如對于中心頻率點(diǎn)為2 GHz的蘭格耦合器，W和S分別為0.075 mm和0.079 mm，這么窄的微帶線線寬和間隙對加工精度的要求很高，需要采用陶瓷基板來制作，這樣成本將大幅提高，而無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作過程中重要的考慮因素是小型化和低成本，采用PCB工藝加工整體電路，可以大幅降低成本。串聯(lián)兩個(gè)松耦合的蘭格耦合器[9-11]，可以達(dá)到緊密耦合的性能，通過計(jì)算可以得到中心頻率點(diǎn)為2 GHz的兩個(gè)串聯(lián)8.34 dB蘭格耦合器W和S分別為0.101 mm和0.361 mm，與單個(gè)耦合器比較可以看出，耦合線線寬和間隙明顯變寬，降低了耦合器的加工精度，從而可以采用 PCB工藝來加工整體電路。

PCB板材選用Rogers公司的RT/Duroid5880基板。根據(jù)式(3)和式(4)可以計(jì)算出蘭格耦合器的偶模阻抗Zoe和奇模阻抗Z0o。

(3)

(4)

根據(jù)設(shè)計(jì)中心頻率點(diǎn)2.268 GHz,可以得到1/4波長耦合線長L=25.39 mm,根據(jù)式(3)和式(4)可以計(jì)算出耦合系數(shù)為8.34 dB的偶模阻抗Z0e=74.84 Ω和奇模阻抗Z0o=33.403 Ω。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以得到耦合線線寬W=0.051 mm和微帶線間隙S=0.324 mm。因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的是寬帶放大器，可以在中心頻率點(diǎn)引入一定的誤差，從而在低頻和高頻部分減少耦合端和直通端的偏差，從而展寬耦合器的帶寬，然后通過ADS射頻仿真軟件調(diào)諧優(yōu)化線寬和間隙后得到W=0.101 mm和S=0.347 mm。

1.2 級聯(lián)耦合器的調(diào)試

以上是原理圖仿真，由于加工誤差的影響，實(shí)際加工電路的結(jié)果往往有很大偏差，但蘭格耦合器加工后不便于調(diào)試，可以在耦合端和直通端加上如圖2(a)所示的LC諧振電路[12]，來抵消加工過程中的誤差，便于實(shí)物加工后電路的調(diào)試。直通端口和耦合端口的傳輸系數(shù)如圖2(b)所示。電感和電容取值如表1所示。

表1 電感電容取值

圖2 蘭格耦合器電路及其性能

1.3 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

放大器電路的輸入阻抗和輸出阻抗隨頻率的變化而變化，會引起晶體管的震蕩，使放大器無法正常工作，所以必須保證晶體管無條件穩(wěn)定，一種簡單有效的方法是K-Δ檢驗(yàn)，Rollet條件以及輔助條件可以定義為

(5)

|Δ|=|S11S22-S12S21|<1

(6)

Rollet條件以及輔助條件同時(shí)滿足時(shí)，證明晶體管器件是無條件穩(wěn)定的。晶體管偏置在Vds= 4 V，Id=60 mA[13], ADS穩(wěn)定性仿真發(fā)現(xiàn)K<1, Rollet條件以及輔助條件不能同時(shí)滿足，在晶體管的源級串聯(lián)微帶線TL1、TL2引入串聯(lián)負(fù)反饋 ，可以提高晶體管的穩(wěn)定性，電路如圖3所示，在提高穩(wěn)定性的同時(shí)，還可以使增益在高頻端的損耗降低，使增益曲線趨于平緩。

圖3 晶體管源端引入微帶線串聯(lián)負(fù)反饋

1.4 阻抗匹配電路設(shè)計(jì)

引入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，可以優(yōu)化電路性能。低噪聲放大器工作在1.434～2.747 GHz頻率范圍內(nèi)，低噪聲放大器應(yīng)用于射頻通信系統(tǒng)的前端，所以在輸入端采用最低噪聲阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。輸出端的匹配電路對噪聲影響沒有輸入端大，輸出端采用最大增益匹配網(wǎng)絡(luò)[15]，可以提高電路增益。采用LC型匹配網(wǎng)絡(luò)的電路如圖4所示。

圖4 單級放大器電路原理圖

2 平衡放大器的仿真結(jié)果

低噪聲放大器的單級電路設(shè)計(jì)完成，單級放大器的帶寬性能并不是很好，將兩個(gè)單級電路做成平衡式放大器結(jié)構(gòu) ，可以使電路具有較寬的帶寬性能。

通過使用ADS仿真軟件，如圖5所示在1.434～2.747 GHz的工作頻率范圍內(nèi)，穩(wěn)定系數(shù)K的最小值為1.105>1，放大器電路無條件穩(wěn)定，增益為15.5±2.25 dB。電路的噪聲系數(shù)如圖6所示，噪聲系數(shù)為0.567±0.033 dB，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 低噪聲放大器的增益和穩(wěn)定系數(shù)

圖6 低噪聲放大器噪聲系數(shù)

圖7 輸入端和輸出端的反射系數(shù)

圖7所示為輸入端和輸出端的反射系數(shù)，輸入端的反射系數(shù)在工作頻率范圍內(nèi)的最大值為-19.78 dB；輸出端反射系數(shù)的最大值為-16.586 dB，可以明顯看到平衡式放大器的輸入端和輸出端在1.434～2.747 GHz的工作頻率范圍內(nèi)具有較小的反射，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款使用Avago公司生產(chǎn)的ATF-34143低噪聲PHEMT晶體管的平衡式放大器電路，擁有從1.434～2.747 GHz的1.313 GHz的頻率帶寬，覆蓋了中國三大運(yùn)營商的所有4G頻段，在提供較高增益的前提下，噪聲系數(shù)仍然保持較低，可以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代寬帶通信系統(tǒng)中。

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Balanced Broadband Amplifier of Cascaded Couplers Design

FU Kun，ZHU Honglei，LIU Wei，TONG Fei

(School of Automation,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710000,China)

Aiming at the demand of the communication data capacity of modern communication, the low noise amplifier of the front end of the receiver needs to meet the requirement of broadband design. The use of balanced amplifier structure and the optimization design of the coupler can reduce the cost of the product under the premise of meeting the broadband design specifications. Using the radio frequency simulation software ADS to simulate the design of the circuit, the results prove the feasibility of the theory. Balanced low noise amplifier design to achieve the 1.313Ghz from the frequency bandwidth of 1.434～2.747 Ghz, designed the noise coefficient of balanced wideband low noise amplifier gain of 0.567±0.033 dB, 15.5±2.25 dB, the maximum reflection input and output circuit are respectively -19.78 dB and -16.586 dB.

balanced;broadband;lange coupler;PHEMT;low noise;ADS

2016- 10- 09

西安郵電大學(xué)創(chuàng)新基金(CXL2014-36)

付鯤(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：射頻微波電路。朱紅雷(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：圖像處理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.038

TN722

A

1007-7820(2017)08-138-04