射频与微波电路设计讲稿6.doc

本文由fyuanhappy贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第六讲 低噪声放大器设计 1 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。 放大器技术指标 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 2 S in / N in NF = S out / N out 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 NF ( dB ) = 10 lg( NF ) 放大器技术指标 放大器技术指标噪声系数与噪声温度 3 放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度 T e 来表达。噪声温度 T e 与噪声系数 NF 的 关系是 Te = T0 ? ( NF ? 1) 式中，T 0 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) NF T e(K) NF(dB) NF T e(K) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.230 1.259 6.825 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 10 1.413 1.585 1.778 1.995 2.239 2.512 2.818 3.162 3.981 10.00 120.9 171.3 228.1 291.6 362.9 442.9 532.8 633.5 873.5 2637 放大器技术指标 放大器技术指标功率增益 4 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 P2 G= P1 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。 功率增益与噪声系数 5 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： N f = N f1 + N f 2 ?1 G1 + N f 3 ?1 G1G2 + 其中： N f 放大器整机噪声系数； N f 1，N f 2，N f 3 分别为第 1，2，3 级的噪声系数； G1，G2 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。 放大器技术指标 放大器技术指标增益平坦度 6 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。 放大器技术指标 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。 7 放大器技术指标 放大器技术指标动态范围 8 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： Pmin = N f ( kT0 ?f m ) M 其中： ?f m 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 ?f m 40MHz，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 Pmin = 7.23 10 mW = ?81dB 。 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数时的输入功率值。 9 放大器技术指标 放大器技术指标端口驻波比和反射损耗 9 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。 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 10 1 1, 2 0 necessary 1 放大器在L 输入平面上绝对稳定的充分必要条件为 suficient 2 0 necessary 1 带有输入、输出匹配电路放大器的一般表示 P3 Z0 输入 匹配 电路 11 P1 a1 微波 b1 器 件 b2 S Zs Zin s 1 P2 a2 输出 匹配 电路 P4 Z0 Zout ZL 2 L 如果只关心放大器的外部特性，放大器可当作一个二端口网络， 其输入、输出之间的关系可表示为 b1 ? ? S11 ?b ? = ? S ? 2 ? ? 21 S12 ? ? a1 ? ? ? ?a ? S22 ? ? 2 ? 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。 在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增益圆 在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增益圆 1、增益与负载有关，输入输出匹配时输出最大 12 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。 P3 Z0 输入 匹配 电路 P1 a1 微波 b1 器 件 b2 S Zs Zin s 1 P2 a2 输出 匹配 电路 P4 Z0 Zout ZL 2 L 在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增益圆 在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增益圆 13 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。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。 在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增益圆 在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增益圆 14 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 线为一圆，叫等噪声圆。 在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增益圆 在圆图上表示噪声和增益等噪声圆和等增益圆 15 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。 低噪声放大器设计的依据与步骤 16 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. 1. 2. 3. 4. 5. 输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50? 放大器级数 晶体管选择 电路拓朴结构 电路初步设计 用CAD软件进行设计、优化、仿真模拟 步骤： 电路设计原则 17 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 = Z0 （ L = 2*） 3. 满足稳定性条件 4. 结构工艺上易实现 电路设计基本电路模块 电路设计基本电路模块 输入匹配电路模块 P3 Z0 输入 匹配 电路 18 输出匹配电路模块 P1 a1 b1 微波 器 件 b2 S Zs Zin s 1 Zout ZL 2 L P2 a2 输出 匹配 电路 P4 Z0 低噪声放大器一般不止一级，还有级间匹配电路模块。 输入匹配电路要求 输入匹配电路要求 要求：Zout = Zopt out = opt 19 输入匹配电路结构类型 输入匹配电路结构类型 并联导纳型匹配电路 20 阻抗变换型匹配电路 微带电路拓扑结构的选择原则 带阻抗跳变式的阻抗变换器类， 21 （1）微波的高频段，比如工作频率在X波段或更高，宜选用微 （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。 输入匹配电路电路拓朴结构选择原则 输入匹配电路电路拓朴结构选择原则 22 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 图6-8 具有不同s11的微波晶体 指高于50?而言，反之是指 管适宜的匹配电路结构 低于50?。 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。 输入匹配电路举例 23 级间匹配电路 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 24 由于级间匹配电路是电抗性匹配，它的输入和输出必然同时达 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。 级间匹配电路 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 25 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 第1级相关增益 第2级噪声温度 整机噪声温度 T1 = 25K （FdB = 0.36dB） G1= 12 （G = 11dB） T2 = 120K （FdB = 1.5dB） T = 25 + 120/12 = 35K 这时整机噪声温度增大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。 级间匹配电路第二级设计时兼顾第1 级间匹配电路第二级设计时兼顾第1级输入驻波比 26 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 s12 , s211 o1 = s11 + 1 ? s22 1 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。 级间匹配电路 级间匹配电路典型的几种级间匹配电路 27 输出匹配电路 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?。 28 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 输出匹配电路 输出匹配电路提高增益 29 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。 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6-6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。 输出匹配电路 输出匹配电路改善整机增益平坦度 30 微波晶体管的自身增益都是随频率升高而下降，下降比例大体 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。 输出匹配电路 输出匹配电路改善整机增益平坦度 31 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 图6-13 陷波电路 （a）； l 是待吸收 （a）陷波电路；（b）幅频特性的改善。 频率的波长。 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。 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。 输出匹配电路 输出匹配电路满足放大器输出驻波比 32 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。 输出匹配电路 输出匹配电路改善放大器稳定性 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。 33 图6-14 用有耗匹配电路改 善稳定性 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。 放大器整体电路 34 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。 放大器整体电路 放大器整体电路微带电路部分 35 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， 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。 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。 放大器整体电路 放大器整体电路偏压供电电路部分 36 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。 放大器整体电路 放大器整体电路偏压供电电路部分 37 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