P波段限幅低噪聲放大器設(shè)計(jì)

王余國 戚賀 范小龍 程冰

摘 要：設(shè)計(jì)了一款平衡式、大功率限幅低噪聲放大器。利用準(zhǔn)有源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限幅器，提高了PIN限幅二極管的限幅能力。加工實(shí)測結(jié)果表明，在400～600MHz，此限幅放大器噪聲系數(shù)小于1.7dB，增益為27±0.2dB，能夠承受800W（3ms脈寬，33%占空比）的脈沖功率信號(hào)。

關(guān)鍵詞：限幅器；低噪聲放大器；準(zhǔn)有源；PIN二極管

中圖分類號(hào)：TN722.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）18-0039-02

低噪聲放大器（簡稱低噪放）是無線電接收機(jī)的關(guān)鍵組件，其性能對(duì)接收機(jī)靈敏度有重要影響。由于低噪放易受大功率信號(hào)損壞，因此在低噪放前端通常級(jí)聯(lián)限幅器[1，2，3]。將限幅器與低噪放一體化設(shè)計(jì)，可以獲得更低的噪聲系數(shù)、更緊湊的尺寸和更高可靠性，這種一體化設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛用于相控陣?yán)走_(dá)。

本文用混合電路工藝，設(shè)計(jì)了一款平衡式限幅低噪聲放大器。測試結(jié)果表明：在400～600MHz，能夠承受800W（3ms脈寬，33%占空比）的脈沖信號(hào)，噪聲系數(shù)小于1.7dB，增益為27±0.2dB。

1 設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的限幅低噪聲放大器如圖1所示，由輸入端90°3dB耦合器、功率負(fù)載電阻、限幅器、低噪聲放大器和輸出端90°3dB耦合器組成[4]。

當(dāng)輸入射頻信號(hào)功率小于限幅器限幅門限，限幅放大器對(duì)輸入射頻信號(hào)線性放大。此時(shí)輸入信號(hào)經(jīng)過輸入端3dB耦合器分成兩路等幅正交信號(hào)輸出，耦合器隔離端口的功率負(fù)載上沒有信號(hào)。兩路等幅正交信號(hào)經(jīng)過限幅器、LNA在輸出端3dB耦合器合成輸出。當(dāng)輸入大功率信號(hào)時(shí)，耦合器的兩路正交信號(hào)被限幅器反射，反射信號(hào)在輸入端3dB耦合器的隔離端口合成，并施加在功率負(fù)載上[5]。兩路正交反射信號(hào)在3dB耦合器的輸入端口相消，因此3dB耦合器的輸入端口將一直保持良好的駐波比。

2 電路設(shè)計(jì)

輸入端3dB耦合器采用Anaren公司3dB耦合器，在400～800MHz插入損耗小于0.15dB，可承受300W連續(xù)波，能夠滿足此限幅低噪放的耐功率要求。

功率負(fù)載電阻選用具有優(yōu)異導(dǎo)熱性能氧化鈹（BeO）基板制作的大功率薄膜電阻。

2.1 限幅器設(shè)計(jì)

限幅器原理圖如圖2所示，由兩級(jí)構(gòu)成。第一級(jí)為大功率限幅器，采用了半有源式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是大功率PIN限幅二級(jí)管的前級(jí)加入了耦合檢波器。大功率射頻信號(hào)經(jīng)過耦合器輸出一個(gè)小功率信號(hào)，經(jīng)過檢波管檢波及RC濾波，為后級(jí)的大功率PIN限幅二極管提供直流偏置。這種半有源式限幅結(jié)構(gòu)比單獨(dú)PIN管構(gòu)成的限幅器具有更大的功率容量。第二級(jí)使用了單片式限幅器，將第一級(jí)大功率限幅器的輸出信號(hào)再次限幅，以滿足后級(jí)LNA輸入功率限制。

第一級(jí)限幅器的PIN管選用了Skyworks CLA4607，9只并聯(lián)。第二級(jí)限幅單片使用AWE4191。限幅器的版圖設(shè)計(jì)在HFSS中進(jìn)行，利用HFSS附帶的bond wire建模功能，可以精確仿真鍵合金絲帶來的寄生效應(yīng)。設(shè)計(jì)好的限幅器版圖如圖3所示。電路基板采用氧化鋁材質(zhì)，厚度0.635mm。PIN限幅管通過焊料燒結(jié)在金屬載體上，再用金絲將陽極與電路連接。隔直電容、檢波二極管均采用芯片式元件，用導(dǎo)電膠貼裝在電路上，再用金絲鍵合連接。設(shè)計(jì)版圖時(shí)預(yù)留了金絲跳線島，以方便在調(diào)試時(shí)可以通過金絲跳線調(diào)節(jié)第一級(jí)限幅器及第二級(jí)限幅器之間的電感，選擇合適的金絲跳線長度，可以降低第一級(jí)限幅器PIN管結(jié)電容帶來的插損。

2.2 低噪聲放大器設(shè)計(jì)

低噪聲放大器選用Broadcom ATF-551M4 E-pHEMT 超低噪聲放大管。該低噪放模塊在0.4～0.6GHz的噪聲系數(shù)小于0.3dB，增益高于20dB。此放大管具有極低的噪聲系數(shù)，適合作為第一級(jí)放大器使用。在設(shè)計(jì)低噪放時(shí)使用最小噪聲系數(shù)匹配方法[6]，放大管柵極采用電阻分壓作為偏置。設(shè)計(jì)完成的低噪聲放大器版圖如圖4所示。低噪放基板采用Rogers RO4350B，板厚0.508mm，損耗正切角0.0037。

由ATF-551M4放大的信號(hào)經(jīng)過3dB耦合器合成輸出，3dB耦合器輸出端級(jí)聯(lián)一個(gè)低噪聲放大器以提高鏈路增益。此低噪放選用中電55所研制的WFD001020-L17低噪聲放大器模塊，在0.1～2GHz，典型增益16.5dB，噪聲系數(shù)小于1.7dB，P1dB為16dBm，外圍電路簡單無需匹配電路，適合作為后級(jí)放大器提高增益。

3 測試結(jié)果

加工的限幅低噪放實(shí)物如圖5。各元器件通過焊料燒結(jié)或者導(dǎo)電膠粘結(jié)貼裝在腔體內(nèi)，并用金絲鍵合完成互連，最后將殼體進(jìn)行激光封焊。

限幅低噪放的S參數(shù)測試使用Agilent E8361C PNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。測得的增益如圖6所示，在400～600MHz，增益為27±0.2dB，平坦度良好。輸入輸出端口駐波比均小于1.4。

噪聲系數(shù)的測量使用Keysight MXA N9020A信號(hào)分析儀和Keysight N4002A噪聲源，測得的噪聲系數(shù)如圖7所示。測量結(jié)果表明，在400～600MHz，該限幅低噪放的噪聲系數(shù)小于1.7dB。

在耐大功率信號(hào)測試時(shí)，使用脈沖功率計(jì)。測試時(shí)需要大功率衰減器，以將大功率脈沖信號(hào)衰減至滿足脈沖功率計(jì)探頭的輸入功率限制；在限幅低噪放的前端，應(yīng)接有定向耦合器和大功率匹配負(fù)載，以防止限幅低噪放的大功率回波反射到功放造成損壞。在測試前首先對(duì)功放輸出脈沖功率進(jìn)行校準(zhǔn)，并將線纜、連接器、衰減器等的損耗計(jì)入校準(zhǔn)過程。

此限幅低噪放經(jīng)過800W（3ms，33%占空比）的脈沖功率信號(hào)，1小時(shí)的測試，沒有損壞。再次進(jìn)行常規(guī)性能測試，無明顯變化。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一款P波段平衡式低噪聲放大器。此限幅低噪放采用了準(zhǔn)有源結(jié)構(gòu)的限幅器，增強(qiáng)了PIN管限幅能力，實(shí)現(xiàn)了大功率限幅。經(jīng)過加工測試，性能良好，具有較高實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]Platonov S V， Osipov A M， Kozlovsky E Y. Power limiter/low-noise amplifier of C-band[C]//International Conference and Seminar on Micro/nanotechnologies and Electron Devices. IEEE， 2010：193-196.

[2]Mahmoudidaryan P， Medi A. Codesign of Ka-Band Integrated Limiter and Low Noise Amplifier[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2016， 64（9）：2843-2852.

[3]Schuh P， Reber R. Robust X-band low noise limiting amplifiers[C]// Microwave Symposium Digest.IEEE，2014：1-4.

[4]艾競.小型化X波段平衡式限幅器設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[5]尤喜成，喻志遠(yuǎn).L波段限幅低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[C].2007年全國微波毫米波會(huì)議論文集，2007.

[6]Reinhold Ludwing， Pavel Bretchko.射頻電路設(shè)計(jì)：理論與應(yīng)用[M].王子宇，張肇儀，徐承和譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.