论文导读:：本文采用插指电容新结构设计了一个Ku波段低温低噪声放大器(LNA)，并通过优化的封装工艺制备了放大器样品，分析了隔离器对LNA性能的影响。在77K温度下测试结果表明，放大器增益约10dB，噪声系数小于2.0dB，反射系数小于17dB。
论文关键词：低温低噪声放大器(LNA)，Ku波段，隔离器，噪声系数
1、引言
在微波通讯系统中，接收机噪声特性的优劣是决定系统接收灵敏度的重要因素，而接收前端的低噪声放大器（LNA）是影响接收系统噪声指标的关键部件，其噪声特性将直接影响系统整体的噪声水平[1]。低温下工作的Ku波段放大器具有极低的噪声特性，在微波通信、卫星通信、天文观测等领域中都具有非常重要的应用。当前Ku低温低噪声放大器的研究工作只有少量报道，性能尚不能达到实际使用的要求。
本文设计并制作了一个Ku波段低温低噪声放大器隔离器，旨在与高温超导滤波器级联，使用在高温超导滤波子系统之中[2]。该LNA采用插指电容新结构，使用ADS软件仿真优化性能，并通过优化的封装工艺制备了LNA样品论文网站。在77K温度下测试结果表明，噪声系数小于2dB，增益约10dB，反射系数小于20dB。该LNA已与Ku波段超导滤波器成功级联。
2、低温低噪声放大器的仿真设计
2.1 器件选择
Ku波段LNA要求选用具有低噪声特性的晶体管，而高电子迁移率场效应管(HEMT)是新型的具有低噪声优点的一类晶体管，符合设计要求。通过晶体管性能分析并综合设计需要，选取了NEC公司的某一HEMT产品，其理论常温噪声系数高至18GHz只有0.75dB。
低损耗的PCB基板是研制Ku波段LNA的另一重要材料。本工作选用Rogers公司的高频PCB板，在高频段具有低插损特性，微波性能良好。
2.2 反射系数的设计
LNA设计中都需要考虑对反射系数S(1,1)和S(2,2)的设计隔离器，一般需要优化至-15dB以下，而最优化S(1,1)、S(2,2)的目标与最小化噪声和最大化增益往往是矛盾的，这给LNA的设计工作带来了很大的不便和困难。Isaac Lopez-Fernandez 在他的工作中使用了放大器设计中可以不考虑其反射性能，而使用隔离器来完善的方法[3]，同时还给出了隔离器附加噪声温度的计算公式：
 
其中 隔离器的物理温度， 是放大器的等效噪声温度， 是隔离器可达到的增益。根据这个公式计算可以知道，对于一般的LNA和隔离器，77K低温下隔离器附加噪声温度不超过20%，相对于直接在设计中优化反射的办法，隔离器的附加噪声更小，同时可以大大简化设计过程。因此本工作反射系数不再进行最优化设计，而采用级联隔离器的方法改善器件之间的匹配论文网站。
2.3 稳定性设计
为了保证LNA的可靠工作隔离器，需要保证其全频段无条件稳定，或至少要保证工作频段附近绝对稳定。LNA的稳定性判据为[4]：
 和 
其中： ，
在ADS中，有其自身设计的稳定系数Mu，只要Mu>1就实现了绝对稳定。在ADS中对我们选用的HEMT晶体管进行仿真，图1给出了其全频带Mu值，可以发现其全频带Mu>1，也就是全频带绝对稳定，因此在设计过程中不会存在陷入潜在不稳的问题。同时因为我们在输入输出端都采用了隔离器设计，可以进一步优化反射，保证了LNA的稳定工作。
图1 LNA稳定性系数
|
图2 插指电容
|
2.4 直流隔离的设计
LNA在设计中，需要抑制直流偏置电压对前后级器件的影响，因此需要在LNA的输入输出端分别加上隔直电路。在低频段隔离器，隔直电容可以很好地实现这一功能，但在Ku高频段，电容的性能有很大不同，而且会引入较大的插损，本文采用插指微带结构实现隔直功能，其结构如图2所示。该结构的S(2,1)特性ADS仿真结果如图3所示。可以看到，该插指电容对低频信号有很好的过滤作用，可以起到有效的隔绝直流的效果，而在所需的频段，信号能很好的穿过，插损仅有0.1dB左右，优于集总元件电容。
图3 插指电容的S21响应曲线
|
2.5 直流偏置设计
直流偏置电压决定了HEMT的静态工作点，直接决定了系统的工作状态。直流偏置电路的要求是在保证将偏置电压正确送入HEMT管脚的同时做到与交流电路部分的良好隔离隔离器，使得微波信号不会泄露进入直流电路部分论文网站。我们采用的直流偏置电路是四分之一波长线加扇形线的设计，如图4所示。
图4 直流偏置扇形线电路结构
|
根据四分之一波长线的输入阻抗计算公式： ，其中 为四分之一波长线的特征阻抗， 为负载阻抗。理想情况下扇形微带线相当于接地电容，因此 ，由此得到 ，相当于开路，因而将交流电路里的微波信号与直流电路隔离开，防止了微波信号向直流电路的泄露。在现实情况下，不可能完全为零，为了提高 ，必须尽量增大，也就是减小四分之一波长线的宽度隔离器，同时为了确保制作精度，这里我们选用的宽度为0.1mm。
2.6 匹配电路设计
对于我们所做的一级放大器，以输入匹配电路按最佳噪声匹配、输出匹配电路按最佳增益匹配设计。首先对选定的HEMT用ADS的Amplifier模版扫描，得到输入端最佳噪声匹配和输出端最佳增益匹配所需的S参数，然后使用Smith圆图工具利用集总元件得到匹配电路；再使用LineCal工具将集总元件转换成对应的微带结构，这样便定出电路的初始结构。接下来使用OPTIM工具和TUNE工具对匹配电路进行优化直到满足所需的性能指标为止。最后得到的LNA版图如图5所示。
图5 LNA版图
|
图6 LNA实物
|
3、LNA的制作与测试
根据仿真得到的版图制成PCB覆铜电路，并将HEMT焊接在电路板上。为了更好地接地，PCB通过性能优良的导电胶粘贴在屏蔽盒底板上论文网站。屏蔽盒采用黄铜材料，表面镀金处理，以同时为了保证信号传输的质量，减小损耗，选用了高频特性稳定的K接头。最后制作的LNA实物如图6所示。
在77K温度下对LNA进行测量，得到LNA的S参数和噪声系数分别如图7和图8所示。
从测量结果可以看到隔离器，引入隔离器后附加的插损非常小，对增益的影响可以忽略不计，但对反射性能却有很大改善；从噪声上看，隔离器的引入在目标频带内附加的噪声也不超过原有噪声的20%，与预期相同。因此我们在设计时不考虑反射而在实际测试中加入隔离器的做法是可行的。从LNA指标上看，目标频带噪声系数小于2.0dB，增益在10dB左右，反射优于-17dB。
图7 LNA实测S参数
|
图8 LNA实测噪声系数
|
4 结论
本文采用插指电容新结构，利用ADS仿真设计了Ku波段低温低噪声放大器；采用优化的封装工艺制备了Ku波段的低温低噪声放大器样品。LNA在77K低温下测试表明，具备了较好的噪声性能，带内平坦度较好，具备了与Ku波段超导滤波器级联的能力。
参考文献：
[1]Skolnik. 雷达手册（电子工业出版社，北京，2003）
[2]陈毅东，等.具有陷波电路结构的P波段低温低噪声放大器. 低温与超导， 38(2010):1-4
[3]IsaacLopez-Fernandez, et al. Development of Cryogenic IF Low-Noise 4-12GHzAmplifiers for ALMARadio Astronomy Receivers. Microwave Symposium Digest, 2006. IEEE MTT-SInternational:1907-1910
[4]GuillermoGonzalez 著，白晓东译. 微波晶体管放大器分析与设计（清华大学出版社，清华，2003）
|
