基于超导接收机前端的低温低噪声放大器设计

引言

随着现代无线通信、微波测量、电子对抗等技术的高速 发展，一些工作特定环境下的接收机需要更高的性能要求。 高温超导接收机(High temperature superconducting receiver， HTS receiver)前端则以其高灵敏度、高选择性、极低噪声等 特点应运而生，高温超导接收机前端由高温超导滤波器和低温 低噪声放大器(Cryogenic Low Noise Amplifier，CLNA)组成。 CLNA作为接收机第一级有源器件，其噪声性能直接决定了 接收机的灵敏度。文献［1］显示，在常用通讯频段中，60 K低 温下的放大器噪声系数(Noise Figure，NF)较之常温下的噪 声系数下降约0.4 dB，这可极大提高通信的传输效率和质量。 目前，HTS receiver在雷达、通信、射电天文接收机中得到广 泛的应用。

近年来，通过低温冷却LNA中的高电子迁移率晶体管 (High Electron Mobility Transistor， HEMT)使得低噪声放大 器快速发展并大幅提高了其性能。但HEMT管难以在几百兆 赫兹频率范围工作的的同时达到较小噪声，亦是 工作在800 MHz及以上频率范围。本文根据设计要求，在 500〜700 MHz频率范围内设计出能优异的CLNA,这必须 权衡低NF、高增益，无条件稳定等因素，无疑增加了设计难度。 本文最终实现77 K液氮低温环境下：噪声系数小于0.5 dB， 增益大于30 dB，反射系数小于-15 dB。

1低温低噪声放大器的设计与仿真

1.1器件选择

由于器件在低温下的工作特性与常温环境下不同，通过 常规手段设计的常温低噪声放大器直接应用于低温环境中通 常不能满足设计要求。对于低温低噪声放大器的网络参数直接在低温下调整还难以实现，文献［2］给出了一种低温低噪声 放大器的预修正设计方案，综合利用仿真软件和实测结果来 获取晶体管的低温参数，进而进行设计。但是，本次我们并 没有提取低温参数，而是通过选取熟悉的器件，参考常温特 性及低温环境测试结果，预修正与验证设计。本次设计选用安 捷伦公司的增强型PHEMT器件ATF-54143，它不仅具有极低 的噪声与较高的增益，同时可以消除HEMT器件在低温下的 深电子陷阱效应。

1.2放大器稳定型设计

在理想放大器中S12为零，放大器会无条件稳定。但微波 晶体管存在内部反馈，晶体管的$12即表示内部反馈量，可能 导致放大器稳定性变差甚至自激，过高的增益亦会造成反馈 功率变大，导致不稳定［3］。因此设计放大器必须保证放大器 在工作频段内绝对稳定。放大器的绝对稳定条件是：

式中："为晶体管的S参数，K称为稳定性判别系数，同时满 足上述两个条件才能保证放大器是绝对稳定的。通过ADS仿 真可以看出来ATF-54143在工作频段内并不是绝对稳定的。 对于潜在不稳定管子，常见的改善稳定性方法有:源级负反馈, 一般使用无耗感抗负反馈，实际电路中，常使用微带线Ls来 构成；输入、输出端口串并联电阻，用来抵消自激震荡引来的 负阻抗部分，但同时会导致噪声系数恶化。综合考虑管子特 性及设计要求，最终使用源级负反馈和阻性元件并联反馈结 构，反馈结构引入阻性元件Rf可以减少增益纹波、降低宽带 匹配难度，其引入的的噪声会随着温度减低得到显著下降。 本设计采用两级级联达到设计所需增益要求，通过PI型阻性 衰减器来提高级间隔离度。其电路结构如图1所示。

1.3放大器电路设计

放大器电路设计包括直流偏置设计，直流隔离设计，匹 配电路设计，版图联合仿真优化。

直流偏置设计包括了 PHEMT管的静态工作点及工作状 态的选取和偏置电路设计，本次设计选取3 V、60 mA工作点。 首要满足最小噪声的同时，依靠两级放大来提高增益。在保 证将偏置电压正确送入到PHEMT管脚的同时需要做到与交 流电路部分达到良好的隔离。在LNA电路设计中，使用隔直 电容G、C4来抑制直流偏置电压对前后级器件的影响。

匹配电路设计：低噪声放大器的噪声系数和放大电路的 匹配网络有着紧密的联系，二端口放大器噪声系数表达式为：

式中：Fmin表示晶体管噪声系数的最小值，rn为晶体管的等效噪声电阻，Γopt为最佳源反射系数，ΓS为源反射系数。由此可见，当Γopt=ΓS时，可实现最佳噪声匹配。因此放大器的第一级按照最小噪声设计同时适当兼顾驻波特性，输入端反射系数ΓS选Γopt附近，放大器第二级设计兼顾噪声和增益。根据ADS软件进行设计优化，添加微带与焊盘，联合仿真最后达到仿真结果如图4所示。

根据 ADS 仿真设计的版图制成 PCB 电路，使用村田0603 封装元件焊接。为了保证良好的接地，PCB 使用大量过孔安装到屏蔽盒地板上，屏蔽盒采用黄铜材料，最终制作的LNA 实物如图 2 所示。

2 电路调整及实测结果

将放大器置于 77 K 温度的液氮环境中，初次测试结果与

设计有不小偏差，这一方面是由于分立元件的离散性和焊接引起的各种寄生参数影响，另一重要原因是晶体管在低温环境下性能参数的显著变化。在低温环境中，晶体管的 V ～ I 特性会发生变化，首先我们需要增加栅极电压来维持晶体管的漏极电流，保证放大器工所需的偏置条件，测试显示恶化严重的输入驻波得到了改善。 在保证低噪声的情况下，我们根据实测低温 S11 与 NF 情况，结合灵敏度分析，发现图 1中反馈电阻 Rf 的值直接关系输入驻波和噪声。液氮环境中，增大 Rf 可以减小噪声，但会恶化输入驻波，减小 Rf 改善了驻波但会恶化噪声，权衡整个设计，我们选择了一个最优的 Rf 值，最后使得噪声与驻波均达到了设计要求。最终实现的放大器测试结果如图 3 ～图 6 所示，由图 3 可见放大器在低温下的噪声系数下降约 0.5 dB，极大地提高了放大器的性能。

参考其仿真结果，我们发现由分立元件焊接的放大器性 能易出现恶化，增益减小驻波变差等，这说明在仿真时候添 加冗余量的重要性。由常温和低温测试结果图发现，按照最 小噪声兼顾输入驻波匹配的电路在低温环境下，其器件特性 的变化使得之前的匹配并不是在最优点，这就造成了 Sn的部 分恶化，我们需要根据模拟结果，结合常温、低温调试来修 正电路模型，最终实现电路设计。

3结语

本文介绍了 P波段低温低噪声放大器的设计和调试过程, 对出现的问题进行了分析与说明，并成功制备LNA样品，对 各项指标分别在常温和低温下进行测试，很好地完成了设计目 标，低温下优良的性能达到超导接收机前端的要求。

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