CN101567670A - 一种宽带多目标低噪声放大器的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种宽带多目标低噪声放大器的实现方法，包括选择合适的器件及工作状态、测量器件的S参数以及设计直流偏置电路和输入输出匹配网络。采用本发明的实现方法可以在噪声对系统的影响效的情况下，选取最佳工作电流，并从最佳增益条件考虑，兼顾了噪声。采用本发明的实现方法能够获得增益的所有频段上进行稳定性分析，同时，估计潜在的不稳定区，以避免可能产生问题的源和负载阻抗。

Description

一种宽带多目标低噪声放大器的实现方法

技术领域

本发明涉及微波通信领域，特别是一种利用计算机辅助优化设计技术得到的具有宽带、多目标等综合性能的宽带多目标低噪声放大器的实现方法。

背景技术

微波低噪声高增益放大器是雷达、通信和电子对抗等电子系统中关键的微波部件，有着广泛的军用和民用价值。由于微波系统的噪声系数基本上取决于前级放大器的噪声系数，因此放大器性能的好坏直接影响到整个系统性能的好坏。

低噪声放大器是雷达、通信和电子对抗等电子系统中关键的微波部件，其噪声系数是一个最重要的指标，直接反映了接收机的灵敏度，有着广泛的军用和民用价值。

直流偏置的设计是影响低噪声性能的一个主要因素，最后设计的性能不良往往归结于直流偏置设计不当。HEMT的偏置有多种方式，比较常用的一种是：漏极加正电压，栅极加负电压以控制漏极电流，源极对直流是直接接地。这种偏置方法的优点是：因为源极没有偏置电路，所以引入的源极反馈较小，对高频而言比较容易稳定。但是这种偏置方法也有缺点，偏置电路相当于并联在LNA中的传输线上，对LNA的性能会有影响。首先LNA接不同电源或电源受到干扰会影响偏置电路等效的并联阻抗，从而改变LNA的匹配；其次对于第一级放大网络的栅极而言，偏置电路中有耗元件产生的噪声会直接加到LNA的输入端，这会显著提高LNA的噪声。

通常，增强电路稳定性方法如下：

1、在漏极使用阻性负载，能够在很宽的频段内使器件产生等阻抗，从而获得宽带稳定性，其缺点是：阻性终端消耗一些能量，降低输出功率。

2、在源极与地之间加电感(就是源极反馈)，可引起串联反馈，它所起的作用随频率不同而不同。在比较高的频率，如12GHz，添加的源极电感引起正反馈，使器件增益提高，但会引起不稳定；在较低频率，源极电感引起负反馈，使器件增益降低、稳定性提高。在微带电路中，源极反馈可以是电感分立元件，也可以是一段短传输线，通常采用后者。

上述设计如果人工来完成是非常困难的，不仅费时费力也难以得到满意的结果。如以设计者自行编写程序的方式进行分析和优化，工作量也同样是巨大的，体现在对模型的建立、算法的选择和数据的处理等方面，都是得不偿失的。而仿真软件提供了一个优秀的仿真设计平台，设计者可以把精力集中在优化设计上，而不必为具体的编程花费精力，因而大大提高了工作效率。

但是传统的仿真方式是取整个宽带的中心点进行评估，设定一中网络结构用软件进行分析优化目标，但是这种方式存在两种弊端。一是不能保证这种结构是最优的。二是需要多次的调整仿真的周期很长。

发明内容

本发明目的是提供一种宽带多目标低噪声放大器的实现方法，以克服上述缺陷。

本发明的技术方案是：

一种宽带多目标低噪声放大器的实现方法，包括选择合适的器件及工作状态、测量器件的S参数以及设计直流偏置电路和输入输出匹配网络；

所述选择合适的器件及工作状态包括以下步骤：根据对增益和噪声的要求，选择相匹配的砷化镓场效应晶体管管；根据最小噪声系数来选取第一级的工作电流，并根据最佳增益条件并兼顾噪声来选取第二级的工作电流，用于提高低噪声放大器的1dB输出功率；

所述测量器件的S参数包括以下步骤：

判断稳定性二端口网络绝对稳定性，若同时满足以下三个条件：

(1)|S₁₁|²＞|S₁₂S₂₁|

(2)|S₂₂|²＞|S₁₂S₂₁|

$\left(3\right),K_S-\frac{1{\left|S_{11}\right|}^2{\left|S_{22}\right|}^2+{\left|D_S\right|}^2}{2\left|S_{12}{S}_{21}\right|}>1$

式中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂、D_S是砷化镓场效应晶体管的S参数：

D_S＝S₁₁S₂₂-S₁₂S₂₁，K_S为稳定因子，

则二端口网络具有绝对稳定性；

若不同时满足上述三个条件时，则在器件能够获得增益的所有频段上进行稳定性分析，以及估计潜在不稳定区，以避免可能产生问题的源和负载阻抗；

所述设计直流偏置电路和输入输出匹配网络包括以下步骤：

采用扼流网络在靠近射频部分提供去耦结构、在靠近电源部分提供低频阻抗的结构：采用一条1/4波长传输线和一个分布的扇形电容构成低频阻抗的结构，并通过改变传输线的长度或电容的面积来改善性能；根据所选取的砷化镓场效应晶体管前产生的损耗对放大器的噪声系数的影响，使用高性能低损耗的基片以减小损耗；调整整个宽带的范围中增益、幅平、噪声系数、输入输出驻波比各项指标。

所述测量器件的S参数还包括以下步骤：

在源极与地之间加入电感，即源极反馈，用于引起串联反馈，源极反馈为一段短传输线。

所述设计直流偏置电路和输入输出匹配网络还包括以下步骤：

选取输入匹配的电路拓朴结构，避免非常细的输入线。

本发明的有益效果是：

本发明利用计算机辅助优化技术设计，可以较容易地获得具有宽带、多目等综合标性指标的匹配设计，设计出的宽带多目标低噪声放大器具有低噪声、高增益的优点。

采用本发明的实现方法可以在噪声对系统的影响效的情况下，选取最佳工作电流，并从最佳增益条件考虑，兼顾了噪声。

采用本发明的实现方法能够获得增益的所有频段上进行稳定性分析，同时，估计潜在的不稳定区，以避免可能产生问题的源和负载阻抗。

附图说明

图1为宽带多目标低噪声放大器的级联结构原理框图。

图2为网络偏置形式的结构示意图。

图3为本发明的镜像仿真原理图。

图4为本发明的输入匹配原理图。

图5为本发明的输出匹配原理图。

图6为本发明的输入匹配输出匹配总示原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的放大器采用级联结构，其原理结构如图1所示。主要由放大网络、偏置电路和匹配网络组成。

一种宽带多目标低噪声放大器的实现方法，包括选择合适的器件及工作状态、测量器件的S参数以及设计直流偏置电路和输入输出匹配网络；

选择合适的器件及工作状态包括以下步骤：根据对增益和噪声的要求，选择相匹配的砷化镓场效应晶体管管；根据最小噪声系数来选取第一级的工作电流，并根据最佳增益条件并兼顾噪声来选取第二级的工作电流，用于提高低噪声放大器的1dB输出功率；

所述测量器件的S参数包括以下步骤：

判断稳定性二端口网络绝对稳定性，若同时满足以下三个条件：

(1)|S₁₁|²＞|S₁₂S₂₁|

(2)|S₂₂|²＞|S₁₂S₂₁|

$\left(3\right),K_S-\frac{1{\left|S_{11}\right|}^2{\left|S_{22}\right|}^2+{\left|D_S\right|}^2}{2\left|S_{12}{S}_{21}\right|}>1$

式中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂、D_S是砷化镓场效应晶体管的S参数：

D_S＝S₁₁S₂₂-S₁₂S₂₁，K_S为稳定因子，

则二端口网络具有绝对稳定性；

若不同时满足上述三个条件时，则在器件能够获得增益的所有频段上进行稳定性分析，以及估计潜在不稳定区，以避免可能产生问题的源和负载阻抗；

所述设计直流偏置电路和输入输出匹配网络包括以下步骤：

采用扼流网络在靠近射频部分提供去耦结构、在靠近电源部分提供低频阻抗的结构：

采用一条1/4波长传输线和一个分布的扇形电容构成低频阻抗的结构，并通过改变传输线的长度或电容的面积来改善性能；

根据所选取的砷化镓场效应晶体管前产生的损耗对放大器的噪声系数的影响，使用高性能低损耗的基片以减小损耗；

调整整个宽带的范围中增益、幅平、噪声系数、输入输出驻波比各项指标。

测量器件的S参数还包括以下步骤：在源极与地之间加入电感，即源极反馈，用于引起串联反馈，源极反馈为一段短传输线。

设计直流偏置电路和输入输出匹配网络还包括以下步骤：选取输入匹配的电路拓朴结构，避免非常细的输入线。

本发明的主要流程如下：

首先，选择合适的器件及工作状态：

LNA所能达到的最佳指标很大程度上取决于所选用的晶体管。根据对增益和噪声的要求，选择噪声系数较低的砷化镓场效应晶体管(GaAsFET管)。假定Fn是第n级的噪声系数，Gn是第n级的功率增益，那么n级级联系统的噪声系数定义为：

$F_{\mathrm{all}}=F_1+\frac{F_2-1}{G_1}+\frac{F_3-1}{G_1{G}_2}+\·\·\·+\frac{F_n-1}{G_1{G}_2\·\·\·G_{n-1}}$

由式(1)可知，第一级的噪声对系统的影响是最大的，后面各级对噪声的贡献很小，因此第一级应根据最小噪声系数来选取最佳的工作电流，第二级从最佳增益条件来考虑，同时兼顾噪声。

其次，测量晶体管的S参数：

判断稳定性二端口网络绝对稳定的充要条件如下：

1|S₁₁|²＞|S₁₂S₂₁|

1|S₂₂|²＞|S₁₂S²¹|

$K_S-\frac{1{\left|S_{11}\right|}^2{\left|S_{22}\right|}^2+{\left|D_S\right|}^2}{2\left|S_{12}{S}_{21}\right|}>1$

K_S越大，稳定性越高。上面的3个条件有任何一个不满足时，二端口网络都将是潜在不稳定的。

当采用潜在不稳定器件设计放大器时，必须先确保放大器的稳定。设计放大器时需要其在工作频率下绝对稳定，但这并不意味着放大器在工作频率外的某个其他频段上不振荡，带外振荡可能产生足够大的幅度以至减小带内增益或增大噪声。因此需要在器件能够获得增益的所有频段上进行稳定性分析，估计潜在不稳定区，以避免可能产生问题的源和负载阻抗。

在源极与地之间加电感(就是源极反馈)，可引起串联反馈，它所起的作用随频率不同而不同。在比较高的频率，如12GHz，添加的源极电感引起正反馈，使器件增益提高，但会引起不稳定；在较低频率，源极电感引起负反馈，使器件增益降低、稳定性提高。在微带电路中，源极反馈可以是电感分立元件，也可以是一段短传输线，本发明采用后者。

最后，设计直流偏置电路和输入输出匹配网络：

因此偏置电路对LNA应妥善隔离，即其等效的并联阻抗要尽量大，这里可以采用扼流网络。扼流网络应是在靠近射频部分提供去耦、靠近电源部分提供低频阻抗的结构，通常由一条1/4波长传输线和一个分布的扇形电容构成。如果扼流网络对信号通路提供射频开路，电路性能就没有变化；如果噪声系数改变，说明网络没起到合适的旁路作用，可以通过改变传输线的长度或电容的面积来改善性能。扼流网络的恰当设计可以使NF降低0.5dB左右。常见的偏置形式如图2所示。

由式 $F_{\mathrm{all}}=F_1+\frac{F_2-1}{G_1}+\frac{F_3-1}{G_1{G}_2}+\·\·\·+\frac{F_n-1}{G_1{G}_2\·\·\·G_{n-1}}$ 可知，第一阶FET前产生的损耗对放大器的噪声系数有很大影响，因此设计时应尽量减小损耗，可以使用高性能低损耗的基片，挑选物理尺寸小的输入匹配电路拓朴，避免非常细的输入线。

设计中要保证放大器的稳定性，同时在整个宽带的范围中增益、幅平、噪声系数、输入输出驻波比等几项指标需要折衷以达到最终要求，从而匹配网络的形式和直流偏置的设计。对整体电路的优化有着重要的影响。

如图3，两个电容可军选取-5pF的电容，前级负载电阻和后级负载电阻可均选取50欧姆的电阻，电感可选取-5nH。

如图4，电容可军选取5pF的电容，前级负载电阻和后级负载电阻可均选取50欧姆的电阻。

如图5，电容可军选取5pF的电容，前级负载电阻和后级负载电阻可均选取50欧姆的电阻，电感可选取5nH。

如图6，利用仿真软件，实现输入匹配输出匹配总示原理图。经过仿真软件的调试和仿真，最终可获得合适的宽带多目标低噪声放大器的电路参数。

本发明未涉及的硬件部分和软件部分均可通过现有技术实现。

Claims (3)

1、一种宽带多目标低噪声放大器的实现方法，包括选择合适的器件及工作状态、测量器件的S参数以及设计直流偏置电路和输入输出匹配网络；

其特征是所述选择合适的器件及工作状态包括以下步骤：

根据对增益和噪声的要求，选择相匹配的砷化镓场效应晶体管；

根据最小噪声系数来选取第一级的工作电流，并

根据最佳增益条件并兼顾噪声来选取第二级的工作电流，用于提高低噪声放大器的1dB输出功率；

所述测量器件的S参数包括以下步骤：

判断稳定性二端口网络绝对稳定性，若同时满足以下三个条件：

(1)|S₁₁|²＞|S₁₂S₂₁|

(2)|S₂₂|²＞|S₁₂S₂₁|

$\left(3\right),K_S-\frac{1{\left|S_{11}\right|}^2{\left|S_{22}\right|}^2+{\left|D_S\right|}^2}{2\left|S_{12}{S}_{21}\right|}>1$

式中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂、D_S是砷化镓场效应晶体管的S参数：

D_S＝S₁₁S₂₂-S₁₂S₂₁，K_S为稳定因子，

则二端口网络具有绝对稳定性；

若不同时满足上述三个条件时，则

在器件能够获得增益的所有频段上进行稳定性分析，以及

估计潜在不稳定区，以避免可能产生问题的源和负载阻抗；

所述设计直流偏置电路和输入输出匹配网络包括以下步骤：

采用扼流网络在靠近射频部分提供去耦结构、在靠近电源部分提供低频阻抗的结构：

采用一条1/4波长传输线和一个分布的扇形电容构成低频阻抗，并通过改变传输线的长度或电容的面积来改善性能；

根据所选取的砷化镓场效应晶体管前产生的损耗对放大器的噪声系数的影响，使用高性能低损耗的基片以减小损耗；

调整整个宽带的范围中增益、幅平、噪声系数、输入输出驻波比各项指标。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是所述测量器件的S参数还包括以下步骤：

在源极与地之间加入电感，即源极反馈，用于引起串联反馈，源极反馈为一段短传输线。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征是所述设计直流偏置电路和输入输出匹配网络还包括以下步骤：

选取输入匹配的电路拓朴结构，避免非常细的输入线。

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