在高温超导滤波器后级的低温低噪声放大器的设计和调试方法

Low Noise Amplifier in HTS System

摘要： 低噪声放大器是微波通讯系统中非常重要的功能器件。本文研究了使用在高温超导滤波器后级的低温低噪声放大器的设计和调试方法。总结了综合功率匹配，驻波匹配和噪声匹配的设计思路。同时针对低温下（70K）由于晶体管S参数的变化导致放大器性能和常温相比有很大改变的情况，利用Smith圆图和可调微带电容帮助调试，并研制了频带为1.9GHz-2GHz的低温低噪声放大器。其增益大于18dB，输入输出反射损耗小于-20dB，噪声低于0.5dB。

关键词： 超导滤波器系统; 低温特性; 匹配网络

Abstract: A method was presented to design and fabricate a Low Noise Amplifier(LNA) which works in high temperature superconducting System at low temperature (70K). The design methodology integrates the aspects of noise matching, impedance matching, gain matching and linearity matching. The LNA performances have a remarkable change due to the S parameters deviation of transistor in cryogenic temperature. Smith chat and adjustable microstrip capacitance are used to debug these deviations is discussed and in cryogenic temperature the LNA achieved a power gain of 18dB, a maximum noise figure of 0.5dB, and input and output return loss of better than -20dB within the bandwidth 1.9GHz-2GHz.

Key words: superconducting System; cryogenic performance; matching circuit
EEACC: 1220

随着超导材料应用的发展,采用高温超导材料制备的滤波器表现出前所未有的高性能. 高温超导滤波器与低温低噪声放大器(LNA) 组成的射频接收机前端具有广阔的应用前景[1]。在国内，自行研制的超导接收机前端已经在移动通讯基站中试运行，并获得良好效果。超导接收机前端是由高温超导滤波器、LNA、制冷机、真空腔及控制电路组成，如图1所示。由于LNA工作在和超导滤波器相同的低温环境下，放大器电路的热噪声相当低。在晶体管选取方面，HEMT(高电子迁移率场效应晶体管)很低的噪声和良好低温性能非常符合要求。由于可获取商业用晶体管的S参数仅限于常温至-55oC, 对制备低温70K下工作的放大器带来一定的问题。

本文选用atf-54143型晶体管，采用常温下晶体管的S参数进行设计，并主要采用集总元件实现电路匹配。详细分析了如何设计匹配电路来满足放大器各项指标要求，并提出了低温环境下的调试方法。

图1 超导滤波器系统
1 放大器设计

将放大器电路按图2作简化，由于1.9GHz-2GHz属于L波段，选择集总元件作匹配电路可以有效减小电路尺寸。设计方法同常温下设计低噪声放大器的方法一致，通过微波仿真软件ADS帮助计算，综合考虑功率匹配，噪声匹配和驻波匹配，在保证放大器绝对稳定的前提下找到平衡点，使得各指标满足性能要求。

图2 放大器示意图

噪声系数是优先考虑的对象，晶体管的噪声由下式决定：

输出匹配电路为了稳定性的考虑通常要加入损耗元件，其功率匹配和驻波匹配不再一致，设计的主要任务是得到需要的ΓL值的同时改善输出驻波匹配。

2 放大器的研制和低温下调试

根据设计的电路绘制PCB版图，焊接元件，封装等一系列步骤以后，研制出需要的放大器（图3）。在70K超导温度下测量，发现其性能和设计有较大偏差，这一方面是由于实际电路中大量短微带线的影响，各分立元件的离散性，和软件模拟晶体管性能的误差。更重要原因的是晶体管特性在如此低的温度下发生的显著的变化。根据德国波鸿大学Helmut Piel 教授小组对atf54143晶体管低温特性的测量，其S参数较常温都呈现往高频偏移的特性[3]。

图3 放大器实物图

由此可见，根据实测结果对电路的部分元件进行调整是必需的。调试的步骤可归纳为低温下测量 ━ 理论计算偏差值 ━ 常温下置换元件 ━ 低温下测量的循环过程，直到获得满意的性能。

放大器的调试主要就是匹配点的调试，借助Smith圆图将使这个过程变得直观方便。以输入驻波为例，根据低温下网络分析仪测得的Γ1值利用史密斯圆图可以反推Γin值，然后计算使Γ1=0的C1*,L1*取值。值得注意的是，放大器两端的引线和SMA接头的长度lin必须加入计算。图4形象地展示了计算的过程。

C1，L1作为贴片元件，其元件值都是分立的，经常出现元件系列中没有需要的元件值的情况，这给调试带来一定的困难。采用可调微带电抗可以很好的解决这个问题。图4中给出了可调微带电容的结构，一个电容后端接了一段开路微带线，根据微带线理论，此支路等效阻抗Z1由（3）式决定：

其中，β由微带线宽高比W/h和介质介电常数决定，通过改变微带线宽W可以改变参数β。于是我们可以通过调节微带线的L与W来微调接入阻抗Z的值。这样的结构相当于一个连续可调的电容C’。增加这样一个可调微带电容结构以后，支路电容值可以通过切割或者粘贴微带线连续可调，给低温调试带来极大的便利。类似的，如果使用一段末端接地的短微带线作为支路，则相当于一个可调电感，同样可以用来调试放大器电路。

图4 Smith圆图和可调微带电容
上述调试方法适用于L波段，对于更高的微波频段，电路分布效应进一步增加，需要更精确的调试方法。最后，经过调试的低温低噪声放大器在70K温度下1.9GHz-2GHz通带内满足增益大于18，输入输出反射损耗小于-20dB，噪声低于0.5dB，满足性能要求并且和超导滤波器匹配良好（图5）。

图5 低温低噪声放大器性能

3 结论

本文介绍了低温下低噪声放大器的设计调试方法。总结了综合考虑功率匹配，驻波匹配和噪声匹配的设计思路。针对低温下放大器性能和常温相比有很大改变的情况，提出了利用Smith圆图和微带可调电容结构的调试方法，并成功研制出工作在高温超导滤波器系统中频率范围为1.9G-2GHz的低温低噪声放大器，其各项指标均达到要求，该方法对于L波段均适用。

本文作者创新点:
1． 介绍工作在超低温(70K)下的超导滤波器系统中低噪声放大器的研制方法。
2． 利用Smith圆图和可调微带电容进行低温下调试
3． 并研制出了高性能的1.9GHz-2GHz频段的低温低噪声放大器。

参考文献:
[1] Klauda. M, Kasser. T, Mayer. B.“Superconductors and Cryogenics for Future Communication Systems”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2000;48(7):1228.
[2] 李宗谦.《微波工程基础》.清华大学出版社，2004：168.
[3] 王昕，王凡，张晓平等. “场效应器件低温特性与低噪声放大器”.低温物理学报，2005;27(2):159-164.
[4] 王昌林，李东生，张勇. “一种射频CMOS低噪声放大器的设计”. 微计算机信息，2006.12:117-119

作者简介：
蔡康康 男，1983年11月生于浙江，2004年毕业于清华大学电子工程系并获清华大学学士学位。现为清华大学物理系硕士研究生，研究方向主要为超导系统中低噪声放大器设计。
Email:caikangkang00@mails.tsinghua.edu.cn; 联系电话:13693322200
曹必松（1946- ),男,清华大学物理系博导,研究方向：超导物理的基础研究，超导电子学应用研究。