杨光熹
（民航西南空管局空管过程建设指挥部，四川 成都 610202）
摘要：研究低噪声放大器的设计方法，运用射频理论，结合当前民航机载C波段雷达接收前端的要求，设计了一款高增益、低噪声、性能稳定的放大器，能满足C波段机载接收前端的要求。
关键词：低噪声放大器；链路仿真；C波段雷达
中图分类号：TN722文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.011
引用格式：杨光熹. 机载C波段高性能低噪声放大器的研究设计［J］.微型机与应用，2016,35（20）：41 44.
0引言
随着通信技术的发展，机载通信质量要求不断提高，高增益、高灵敏度、大动态范围的接收前端起着至关重要的作用［1］。而低噪声放大器（LNA）位于雷达接收机的最前端，天线接收信号后，通过低噪声放大器，将微弱的射频信号放大，同时降低噪声干扰。目前不管是研究民航地空通信干扰抑制系统、空管雷达设计，还是民航电台设计，都需要具有噪声系数小、对信号的信噪比恶化尽可能小、增益高的低噪声放大器。研究增益高、噪声低、性能稳定的低噪声放大器对改善机载接收机灵敏度和提高机载通信质量有着十分重要的意义［2］，同时对提供各种通信导航和雷达监管保障的技术人员来说，熟悉此类射频电子设备的制作也是一项基本的技能。
1低噪声放大器设计基本理论
低噪声放大器在民航机载雷达接收前端起着至关重要的作用，它的仿真与设计是基于微波网络理论和阻抗匹配理论，下面对其分别进行分析。
1.1微波网络等效电路分析
一个有源器件可以抽象为多端口器件，而本文中的晶体管可以看作二端口网络，用其S参数和反射系数来描述此网络的基本特征［3］。
图1为抽象出来的两端口网络，根据S参数的定义，可以用归一化入射波来表征归一化反射波：
此二端口的输入反射系数Γin和输出反射系数Γout为：
上式中Γs、ΓL分别为源和负载的反射系数，当匹配时式(2)后面一项为0。上述网络入射功率为：
负载吸收功率为：
1.2阻抗匹配在射频放大器中的形式
由于电路工作在C波段，属于微波频率的范围，传统电路理论中的电压和电流形式已经被电场和磁场形式所替代，在进行电路的设计时必须要考虑阻抗是否匹配［4］。
对于低噪声放大器的设计，匹配电路能起到减小噪声系数、增大输出功率的作用，同时也能起到提高晶体管稳定性的作用。在实际的电路匹配设计时，经常采用集总分布混合的匹配形式来实现。比较常用的集总匹配形式有T型和Pi型匹配，而分布匹配一般采用微带线，有开路枝节、短路枝节等［5］。
2本文设计指标与方案
2.1设计指标
按照民航空管的规范要求，从射频理论出发，采用仿真软件验证，设计了一款适用于机载工作条件的低噪声放大器，主要技术指标如下：
（1）频率范围：5 300 MHz~5 600 MHz；
（2）噪声系数：NF≤1.3 dB；
（3）增益：Gp≥30 dB；
（4）增益平坦度：GΔ≤1 dB；
（5）回波损耗：Lr≤-15 dB。
2.2晶体管选型
体管选型主要考虑以下几点：
（1）工作频段；
（2）噪声系数；
（3）增益要求。
由于本设计工作于C波段，要求的增益比较高，噪声系数比较低，决定选用Avago的ATF36077高电子迁移率晶体管。该晶体管为砷化镓（GaAs）半导体器件，具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，非常适合机载工作环境［6］。它能工作于2~18 GHz的超宽频率范围，并且具有超低的噪声系数，在C波段增益能达到16 dB以上。
2.3电路结构
前面提出的指标对端口回波要求比较高，特别是输入回波，但低噪声放大器在做输入匹配的时候，输入回波跟噪声系数不能同时兼顾。为了保证良好的输入回波，本设计采用平衡式结构，在改善回波损耗的同时可以保证电路的稳定性，即其中一路出现了问题，电路仍然可以工作，这符合机载通信的高稳定性要求［7］。
增益要求30 dB以上，单管难以满足要求，在此采用二级串联的结构，通过电容耦合，在实现高增益的同时还可以减小后续电路对噪声系数的恶化因子。
2.4指标预算
链路增益等于各级增益的和，可由式(5)计算得到：
其中，链路的噪声系统可以通过公式(6)来计算：
通过链路仿真软件Syscal进行增益、噪声系数等指标的评估，从链路预算的评估结果可知，链路噪声系数为0.81 dB，链路增益为31 dB，能够满足设计要求，所以方案是可行的。
2.5链路框图
图2是整个系统的链路框图，其中包含两个混合电桥以及两级放大器。
3C波段射频放大器仿真设计
本设计是基于Rogers4350B 30mil厚度的高频板材，介电常数Er为3.66,损耗角正切为0.04，损耗较低，性能稳定，适合用于C波段的电路设计。
3.1稳定性分析
电路级仿真采用安捷伦公司的ADS仿真软件，对Avago公司的晶体管ATF36077进行电路的设计，首先进行稳定性的仿真，通过源极负反馈的形式增强稳定性，在此处采用微带的形式，一来可以增强稳定性，二来不会对噪声系数有所恶化。图3是单管的稳定性仿真原理图。图4是仿真所得的稳定性曲线，由图4可知在5~6 GHz频率范围内晶体管处在稳定的状态。
3.2单级放大器仿真
接着将理想的微带线转换成为实际的微带线进行单级晶体管放大器的仿真。
图5~7为优化后的单级放大器性能。从图5可以知道，单级放大器的增益最高达到16 dB，反向隔离最高为-20 dB；图6是输入与输出端口的回波损耗，可以看出，端口阻抗匹配得比较好；图7 给出了电路的稳定因子和噪声系数，其中噪声系数为0.4 dB左右。在此主要对噪声系数进行匹配，回波的问题可以通过后续的平衡结构进行改善，所以单级放大器性能满足设计要求。
3.3两级级联仿真
由于单级放大器的增益为16 dB，要满足30 dB的指标要求，需要两级级联，通过电容耦合的形式进行级联设计，图8是两级级联仿真原理图。
两级级联后需要对电路进行微调，由于第一级增益为16 dB，级联后第二级对整体噪声系数影响有所减弱，所以级联重点关注增益和平坦度指标，兼顾噪声，图9~10是两级级联仿真结果。
图9给出了输入输出端口的回波损耗以及增益和隔离度曲线，由图可知，在中心频率处输入输出回波损耗均低于-15 dB，具有很好的匹配；级联增益大于32 dB，增益平坦度为0.8 dB。图10是稳定因子和噪声系数曲线，级联后，放大器依然稳定，且带内最大噪声系数为0.52 dB，各指标依然满足要求。
3.4平衡电路仿真
根据2.3节的分析，本设计采用平衡式架构。将两级级联的放大器封装成一个小模块，命名为C_LNA，用该模块构建平衡电路框图，如图11所示。
图11平衡电路中输入输出分别为3 dB正交电桥，可以在改善端口回波的同时保证机载接收电路的可靠性。在实际的电路走线时要注意上下两路的一致性，一个是增益的一致性，一个是相位的一致性，如果上下一致性不好，都会影响功率的合成。在输出端可以预留相位微调的微带线，如果由于功放管或者电桥的差异导致上下两路相位的差异，则可以通过微调微带的长度来进行相位的补偿，最终达到比较好的合路效果。
为了进一步验证宽带性能，在频率1 GHz~6 GHz内进行宽带仿真。
从图12~13可知，在工作带内输入输出端口回波损耗都在-25 dB以下，增益大于30.5 dB，带内波动0.33 dB，输出端的噪声系数小于1 dB,从图13可以看出电路在1 GHz~6 GHz宽带范围内都趋于稳定。综上所述，所设计的机载C波段高性能低噪声放大器性能优越，满足所有的指标要求，部分指标还具有较大的余量。
4结论
低噪声放大器处于接收机最前端，其指标的好坏直接决定了接收机性能的优劣。在设计的过程中主要还是对噪声系数、回波损耗和增益进行折中，在满足输入回波和增益的前提下，优化噪声系数。安捷伦公司的EDA软件ADS是2.5维全波仿真软件，提供丰富和精确的仿真模型，通过合理运用软件来进行设计，可以加快产品的设计周期，节约开发成本，提高产品设计的成功率。本文根据C波段机载接收前端的要求，合理选择设计方案，结合实际产品，运用安捷伦ADS仿真软件仿真设计了一款高性能的低噪声放大器。
参考文献
［1］ 吴仁彪，宫利苹，胡铁乔．民航地空通信干扰抑制系统的设计与实现［J］．中国民航大学学报，2009，27（2）：1-5.
［2］ 罗旭东．民航电台接收机射频前端研制［D］.成都：电子科技大学，2008.
［3］ LUDWIG R， BOGDANOV G.射频电路设计 理论与应用［M］.王子宇，王心悦，等，译.北京：电子工业出版社，2002.
［4］ 廖承恩.微波技术基础［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1994.
［5］ 杨国敏，肖高标.射频低噪声放大器电路结构设计［J］.电子测量技术，2006,29(1):1-2.
［6］ Guo Qing,Lv Shengang.C band solid state T/R module design for SAR application［C］. Asia Pacifi Coference on Synthetic Aperture Radar,Xi’an,China, 2009:345-347.
［7］ 范宁松，夏达，何慧.S波段空管雷达2.2 kW固态功放组件的设计［J］.现代雷达,2013, 35(6):65-68.