射频与微波电路设计低噪声放大器设计

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1、1第六讲 低噪声放大器设计放大器是射频与微波电路中最基本的有源电路模块。常用的放大器有低噪声放大器、宽频带放大器和功率放大器。本课程只讨论低噪声放大器与功率放大器。本讲座针对低噪声放大器。2放大器技术指标噪声系数与噪声温度放大器的噪声系数 NF可定义如下outoutininNSNSNF/式中，NF为微波部件的噪声系数； Sin，Nin分别为输入端的信号功率和噪声功率； Sout，Nout分别为输出端的信号功率和噪声功率。噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。通常，噪声系数用分贝数表示，此时)lg(10)(NFdBNF3放大器技

2、术指标噪声系数与噪声温度放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度 Te来表达。噪声温度 Te与噪声系数 NF 的关系是) 1(0NFTTe式中，T0为环境温度，通常取为 293K。根据公式（6-3） ，可以计算出常用的噪声系数和与之对应的噪声温度，如表 6-1 所示。表 6-1 噪声系数和噪声温度关系NF(dB)0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0NF1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.230 1.259Te(K)6.825 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.2

3、4 59.26 67.47 75.87NF(dB) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 10NF1.413 1.585 1.778 1.995 2.239 2.512 2.818 3.162 3.981 10.00Te(K)120.9 171.3 228.1 291.6 362.9 442.9 532.8 633.5 873.5 26374放大器技术指标功率增益微波放大器功率增益有多种定义，比如资用增益、实际增益、共扼增益、单向化增益等。对于实际的低噪音放大器，功率增益通常是指信源和负载都是50标准阻抗情况下实测的增益。实际测量时，常用插入法，即用功率计先测

4、信号源能给出的功率 P1；再把放大器接到信源上，用同一功率计测放大器输出功率 P2，功率增益就是12PPG 低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益 G 要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益大概低 24dB。5功率增益与噪声系数功率增益的大小还会影响整机噪声系数，下面给出简化的多级放大器噪声系数表达式：.11213121GGNGNNNffff其中：fN放大器整机噪声系数； 321fffNNN，分别为第 1，2，3 级的噪声系数；21GG，分别为第 1，2 级功率增益。从上面的讨论可以知道，当前级增益 G1和 G2足够大

5、的时候，整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。因此多级放大器第一级噪音系数大小起决定作用。作为成品微波低噪音放大器的功率增益，一般是 2050dB 范围。6放大器技术指标增益平坦度增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏，常用最高增益与最小增益之差，即G(dB)表示，如下图所示。7放大器技术指标工作频带考虑到噪音系数是主要指标，但是在宽频带情况下难于获得极低噪音，所以低噪音放大器的工作频带一般不大宽，较多为20上下。工作频带不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪音要满足要求，并给出各频点的噪音系数。8放大器技术指标动态范围动态范围是指低噪音放大器输入信号允许的最小功率和最大

6、功率的范围。动态范围的下限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数 Nf给定时，输入信号功率允许最小值是：MfkTNPmf)(0min其中：mf微波系统的通频带(例如中频放大器通频带)；M 微波系统允许的信号噪声比，或信号识别系数；T0 环境温度，293K。由公式可知，动态范围下限基本上取决于放大器噪声系数，但是也和整个系统的状态和要求有关。例如，电视机信号微波中继每信道频带mf40MHz，信号噪音比 M10，放大器噪声系数 Nf=1.2(0.8dB)动态范围下限是dBmWP811023. 79min。动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求更加严格些，则定义为放大器非线性特性达到指定三阶交调系

7、数时的输入功率值。9放大器技术指标端口驻波比和反射损耗低噪声放大器主要指标是噪声系数，所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的，其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态，因此驻波比不会很好。此外，由于微波场效应晶体或双极性晶体管，其增益特性大体上都是按每倍频程以6dB规律随频率升高而下降，为了获得工作频带内平坦增益特性，在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下，只能采用低频段失配的方法来压低增益，以保持带内增益平坦，因此端口驻波比必然是随着频率降低而升高。10放大器的稳定性当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于 1（即12, 11）时，不管源阻抗和负载阻抗如何，网络都是稳定的，称为绝

8、对稳定；当输入端或输出端的反射系数的模大于 1 时，网络是不稳定的，称为条件稳定。对条件稳定的放大器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择，而是有一定的范围，否则放大器不能稳定工作。定义：211211112SSSsuficient211222122SSSsuficient211222112221122111222SSSSSSSSnecessary放大器在S输入平面上绝对稳定的充分必要条件为101necessarysuficient放大器在L输入平面上绝对稳定的充分必要条件为102necessarysuficient11带有输入、输出匹配电路放大器的一般表示如果只关心放大器的外部特性，放大器可当作一个

9、二端口网络，其输入、输出之间的关系可表示为式中a1 、b1分别为输入端口P1面上的归一化入射波、反射波电压；a2、 b2分别为输出端口P2面的归一化入射波、反射波电压。111121221222bSSabSSa 输入匹配电路输出匹配电路微波器件SP3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z0 1 2 sLZinZoutZsZL121、增益与负载有关，输入输出匹配时输出最大如果输入匹配电路和输出匹配电路使微波器件的输入阻抗Zin和输出阻抗Zout都转换到标准系统阻抗Z0，即Zin = Z0， Zout = Z0（或S = 1*，L = 2*）就可使器件的传输增益最高。在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增

10、益圆输入匹配电路输出匹配电路微波器件SP3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z0 1 2 sLZinZoutZsZL13在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增益圆2、输入、输出匹配时，噪声并非最佳。相反有一定失配，才能实现噪声最佳。对于MES FET（金属半导体场效应晶体管）来说，其内部噪声源包括热噪声、闪烁噪声和沟道噪声。这几类噪声是相互影响的，综合结果可归纳为本征FET栅极端口的栅极感应噪声和漏极端口的漏极哭声两个等效噪声源。这两个等效噪声源也是相关的，如果FET输入口（即P1面）有一定的失配，这样就可以调整栅极感应噪声和漏极噪声之间的相位关系，使它们在输出端口上相互抵消，从而降低了噪声系数。

11、对于双极型晶体管也存在同样机理。根据分析，为获得最小的FET本征噪声，从FET输入口P1面向信源方向视入的反射系数有一个最佳值，用out表示。当改变输入匹配电路使呈现S = out此时，放大器具有最小噪声系数Nfmin，称为最佳噪声匹配状态。14在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增益圆输入、输出不匹配时，增益将下降。因为负载是复数，有可能在不同的负载下得到相同的输出，经分析在圆图上，等增益线为一圆，这个圆叫等增益圆。当输入匹配电路不能使信源反射系数S和最佳反射系数opt（噪声系数最小时的反射系数）相等时，放大器噪声将增大。由于S是复数，不同的S值有可能得到相同的噪声系数，在圆图上噪声系数等值线

12、为一圆，叫等噪声圆。15在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增益圆等噪声源、等增益圆是我们设计输入输出匹配电路，尤其输入匹配电路的依据。16低噪声放大器设计的依据与步骤依据：1.满足规定的技术指标 噪声系数（或噪声温度）；功率增益；增益平坦度；工作频带；动态范围2.输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50步骤：1.放大器级数2.晶体管选择3.电路拓朴结构4.电路初步设计5.用CAD软件进行设计、优化、仿真模拟17电路设计原则1. 在优先满足噪声小的前提下，提高电路增益，即根据输入等增益圆、等噪声圆，选取合适的S ，作为输入匹配电路设计依据。2. 输出匹配电路设计以提高放大器增益为主， out

13、= Z0 （ L = 2*）3. 满足稳定性条件4. 结构工艺上易实现18电路设计基本电路模块输入匹配电路模块输出匹配电路模块低噪声放大器一般不止一级，还有级间匹配电路模块。输入匹配电路输出匹配电路微波器件SP3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z0 1 2 sLZinZoutZsZL19输入匹配电路要求要求：Zout = Zopt out = opt20输入匹配电路结构类型并联导纳型匹配电路阻抗变换型匹配电路21微带电路拓扑结构的选择原则（1）微波的高频段，比如工作频率在X波段或更高，宜选用微带阻抗跳变式的阻抗变换器类，（2）对于微波的低频段，例如S波段或更低端，宜选用分支微带结构。（3）微波

14、管输入阻抗为容性时，此时s11处在史密斯圆图下半平面，匹配电路第1个微带元件宜用电感性微带单元；反之，当s11处在史密斯圆图上半平面时，宜用电容性微带单元。（4）微波晶体管输入总阻抗为低阻抗时，即s11处在史密斯圆图第2、3象限，微带变换器应采用高特性阻抗的微带线；反之，s11处在史密斯圆图第1、4象限时，为高输入阻抗，微带变换器宜采用低特性阻抗微带线。22输入匹配电路电路拓朴结构选择原则以上介绍了微带匹配电路的多种基本单元。应该注意的是，实际放大器都有一定的工作频带，不同频率时微波管有不同的输入阻抗（即s11）。从理论上讲，一个频率点上，复数阻抗可以匹配到实数信源阻抗，而整个频带内多个频率点

15、的复数阻抗不可能都匹配到实数信源阻抗。因此，上述各种匹配电路形式往往是综合运用的。根据上述原则，不同输入阻抗（即不同的s11情况），微波管的适宜电路可归纳如图6-8所示。图中微带线宽度表示了微带线特性阻抗的高或低，线越宽表示特性阻抗越低。这里所指高特性阻抗是指高于50而言，反之是指低于50。图6-8 具有不同s11的微波晶体管适宜的匹配电路结构23输入匹配电路举例24级间匹配电路基本要求其基本任务是使后级微波管输入阻抗与前级微波管输出阻抗匹配，以获得较大增益。在达到级间共轭匹配时应有Zin = ZT1*Zout = ZT2*图6-10 放大器的级间匹配电路由于级间匹配电路是电抗性匹配，它的输入

16、和输出必然同时达到共轭匹配。如果级间电路是第1级微波管后面的电路，除了增益匹配之外，对它还有两个要求：（1）按低噪声设计，使第2级要有足够低的噪声（2）要兼顾第1级输入驻波比。25级间匹配电路第二级按低嗓声设计第二级按低噪声设计，使第2级要有足够低的噪声 随着技术的进步，第一级微波放大的噪声越来越低。相对来说，第2级噪声对整机的噪声附加值愈加突出。举例来看，具体参数是：第1级噪声温度T1 = 25K （FdB = 0.36dB）第1级相关增益G1 = 12 （G = 11dB）第2级噪声温度T2 = 120K （FdB = 1.5dB）整机噪声温度T = 25 + 120/12 = 35K这时

17、整机噪声温度增大10K，即增大了40%。若第2级按低噪声设计，使T2 = 40K，整机噪声温度T = 25 + 40/12 = 28.3K，此时整机噪声温度仅增大3.3K。因此，对于要求较高的低噪声放大器，必须第2级也按低噪声设计。26级间匹配电路第二级设计时兼顾第1级输入驻波比第1级设计在最佳噪声匹配状态下，放大器输入驻波比一定不很好。利用微波管反向传输系数s12有可能适当调正第1微波管的输入反射系数o1，见图6-10中标注。反射系数o1是式中，1 = (Zin-Z0)/( Zin+Z0)是级间匹配电路输入反射系数；Z0 = 50。在级间匹配电路设计时，使之略有失配，1的变化将改变o1（公式

18、6.27），而o1又将引起放大器输入驻波比的变化。只要得到合适的o1，即可适当改善放大器输入驻波比。但也应该知道，通过s12的反馈，由于受到相位和衰减影响，仅能对放大器驻波比略有改善，不可能改善很多。12211111221,1ossss27级间匹配电路典型的几种级间匹配电路28输出匹配电路基本要求输出匹配电路的基本任务是把微波管复数输出阻抗匹配到负载实数阻抗50。图6-12 放大器输出匹配电路输出匹配电路应解决的目标有以下几项。1、提高增益2、改善整机增益平坦度3、满足放大器输出驻波比4、发送放大器稳定性29输出匹配电路提高增益输出电路和输入电路的区别仅是右端为实数负载，只要把图6-7和图6-

19、6中的匹配单元倒转过来使用即可。由于放大器具有一定宽度的工作频带，不可能全频带内都达到共轭匹配，尤其是对于存在潜在不稳定的微波管更不可能达到共轭匹配。因此输出匹配电路设计的目标是在保持稳定的前提下有尽可能高的增益。低噪声放大器总增益至少要大于30dB，才能抑制掉后级电路设备噪声的影响。有时低噪声放大器后接数十米长电缆或后级设备噪声很大，尤其在整机噪声要求严格时，总增益要求都在4050dB以上。当输出电路与微波管达到共轭匹配时，即Zin = ZT*时，功率增益最高。电路结构形式可参见输入电路基本单元图6-8和图6-9。30输出匹配电路改善整机增益平坦度微波晶体管的自身增益都是随频率升高而下降，下

20、降比例大体上是每倍频程下降6dB。 放大器前两级的主要目标是最佳噪声匹配，因此频带内功率增益随频率变化曲线是向右下倾斜，因而末级放大增益特性曲线必须向右上倾斜才能弥补整个放大器增益的不平度。如果增益不平度较大，而且末级还要照顾到驻波比指标，这就需要两级甚至三级才能校正前级增益的下跌倾斜。这就是低噪声放大器经常包含4级或5级的原因。其实，如果只有噪声这一项要求，放大器增益为4050dB时，后级噪声影响已完全不存在了。但是，为了增益平坦，必须级数较多，这时总增益可能要高达6070dB。31输出匹配电路改善整机增益平坦度图6-13（b）中的虚线是未加陷波电路时的频带特性，实线是加陷波器以后的频带特性

21、。陷波电路只能适当调整频带形状，它是电抗性单元，只能用于末级或末前级，不能用于前级。若用于前级，相位不合适时，会使输入驻波比变坏，甚至放大器不稳定。图6-13 陷波电路（a）陷波电路；（b）幅频特性的改善。为获得良好频带特性，有时要加陷波电路或吸收电路，如图6-13所示。陷波电路就是一段g/4的终端开路微带线，并联在输出电路任意处，见图6-13（a）；l是待吸收频率的波长。32输出匹配电路满足放大器输出驻波比输出驻波比的指标主要是靠输出匹配电路解决。一般的微波管s22比s11要小些，所以比较容易达到良好匹配。匹配完善时，输出驻波比很小，但增益又成为向右上倾斜，因此要兼顾这两项指标。如果是5级放

22、大器，末级可以只考虑驻波比，而增益平坦度指标由末前2级承担。33输出匹配电路改善放大器稳定性通过对R阻值和分支微带特性阻抗Zr的调整，可以控制频带形状和对增益压缩的大小，这样就能使倾斜增益得以校正，而且对带外增益抑制更多。由于有阻性损耗，就比纯电抗匹配法对驻波比的影响小，更有利于改善输出驻波比。有耗网络匹配方法，将对放大电路引入电阻热噪声，因此只能用于输出电路，不能用于前级。图6-14 用有耗匹配电路改善稳定性前述匹配电路大都是电抗性匹配。如果加入电阻就形成有耗匹配，例如图6-14所示。在主微带线上并联电阻R，电阻R后面再接一段u/4的微带线，微带线终端通过电容C构成微波接地。u是频带内高端频

23、率fu的波长。在频率fu时，由于u/4的作用，电阻无损耗；在频率低于fu时，相当于在主线上并联一个包含电阻损耗的分支电路。频率偏离fu越多，损耗越大，增益就越低。34放大器整体电路图6-15给出一个完整的C波段低噪声放大器微波电路。为了便于分析，图中未画出偏置电压的引线和电源部分的电阻电容元件。图6-15 四级低噪声放大器微带电路第1级FET按最佳噪声要求设计。第2级也是最佳噪声设计。第3级和第4级用直接移相线段作级间匹配电路。35放大器整体电路微带电路部分第1级FET按最佳噪声要求设计。为了改善稳定性，在FET的两个源极和地之间各串联一段微带线构成串联负反馈。负反馈微带接地方式是在基片上打孔

24、，基片是聚四氟乙烯纤维板，孔壁金属化后与底面金属地层接通。栅偏压由扇线短路点引入，短路点上焊装了稳定电阻，用以抑制频带外过高增益，增加放大器的稳定性。主微带线两侧各加有一排方形小块，是微调小岛。可用焊锡把一部分小岛联通，用以改变主微带线宽度。微调小岛一般置于电路敏感度高的地方，可用来微调电路，从而可补偿有源元件和焊装的工艺参数离散性。第2级也是最佳噪声设计。第1级和第2级之间用两个分支电路进行匹配。第2级FET也加了源极串联负反馈。两根细微带都是偏置电流引入线。开路分支顶端有一排小岛，可用来微调分支微带长度。第3级和第4级用直接移相线段作级间匹配电路。这两级采用另一种型号的FET，未加负反馈。

25、电路中的横向缝隙是直流断开点，用于焊装隔直流电容器。C波段隔直流电容常用20100pF片式电容器。电容器在焊装前都要用微波网络分析仪测量其微波S参数，以确保隔直流电容器在工作频段内损耗足够小。36放大器整体电路偏压供电电路部分图6-16是该放大器电原理电路，对低频和直流供电电路来说，微带线呈直通特性。本电路采用双电源供电。所谓双电源是指漏极正电压和栅极负电压分别由正压和负压两个电源供电。外加电源15V，经1N4001保护二极管，用集成稳压块M1（此处为7805）获得稳定电压正5V。分别经Rd1、Rd2、Rd3、Rd4降压后加到4个FET的漏极。在微带电路上是加在偏置微带线的零电位点，使之不影响

26、微波电路。调整各个Rd即分别控制了各FET的漏极电压。通常低噪声MES FET漏极工作电压为3V，电流为10Ma；HEMT的漏极电压为2V。37放大器整体电路偏压供电电路部分Rg1、Rg2、Rg3、Rg4是调整低噪声放大器的重要元件。微带电路制作好了以后，较难调整。如果用CAD软件经过仔细设计的电路，有时微带电路元件无需调整。这时微波管的直流工作点就成了唯一可调参数。改变各个电阻Rg就可以改变各微波管的直流工作点，从而改变了微波管S参数，使放大器得以微调。栅负压减低时（向更负电压方向调整），漏极电流减小，FET的s21下降，增益下降。同时，由于改变工作点电流时s11和s22也都有变化，因此Rg

27、可以对增益平坦度和噪声特性都能进行有效调整。稳压块M1输出的正5V电压经倒置稳压块M2变换成负5V。分别经Rg1、Rg2、Rg3、Rg4和820电阻分压后供给各微波管栅极负电压。低噪声微波FET栅负压一般是1V左右，栅极电流可认为是零。对于双极型微波晶体管，有基极电流但也不大。38放大器整体电路偏压供电电路部分 图6-17 放大器自生偏压电路微波管源极串接电阻R和电容C之后接地。电容C对微波短路。电阻R上的负电压通过输入匹配电路接地T分支微带加到栅极。尽管R和C都用微型片式元件，形式虽小但仍然有一定尺寸，而且焊接点也不可能紧贴微波管壳，这就相当于存在串联微带式的负反馈。此外电容的接地不良还会引

28、起电阻性负反馈。自生偏压供电方式电路结构简单，但对噪声有一定影响。单电源供电一般用于较低微波段，以及对噪声指标要求不太严格的放大器。有些放大器采用单电源供电，即外电源只提供一组正电压。栅极负电压由源极自偏置电路产生，如图6-17所示。39低噪声放大器版图示例图6-18是光刻工艺完成的原始电路板，尚未焊装FET和直流供电电路元件。白色是微带线条，各黑色小点是通孔，孔壁金属化与地板导通。主微带电路正中部位的缝隙处焊接微型隔直流电容，左右两个正方小空间焊装微波晶体管。图6-18 低噪声放大器微带版图实例图6-18给出了一个两级低噪声放大器微带版图实例。此放大器用于微波中继通信站接收设备前端，频率为f

29、 = 3.74.2GHz；包含铁氧体器损耗的噪声系数为1dB；功率增益G = 23 0.5dB。40放大器外盒与机械结构盒体常用铝合金整体压铸造成形，单件试制时有时用铝材铣挖成盒。盒内宽度A是个关键尺寸，必须满足式中H是工作频段高端频率的波长。为进一步减小每级之间的耦合，各级之间加有金属隔板，隔板置于微波管的位置上，隔板下面有凹槽，骑在微波管上。为满足公式（6-29），在频率较高时，盒体宽度可能很小，此时偏置电路将无处安置。一种方式是把偏置电路阻容元件放置在微带基板反面；另一种方式如图6-20所示。微带电路设计在槽宽为A的内盒中，宽度A满足截止波导公式（6-29）的要求。在宽度为B的两条外侧盒槽中设置偏压电路各元件，馈电引线可在中间纵向隔板开槽孔或用穿心电容引入。图6-19 微波放大器盒体结构 图6-20 微带放大器屏蔽盒的一种形式盒体上盖与盒体之间夹有一层或两层金属网，以保证上盖与盒体边框的紧密接触。2HA41用ADS软件设计低噪声放大器性能指标要求：Frequency2.5GHzSourceImpedance50OhmGain10dBNoiseGain2dBStabilityUnconditionalVoltageSupply10Ven放大器outoutNS输出端outinSSRg