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作者: 发布时间:2014-06-15 来源: 繁体版
  引言   宽频带低噪声放大器(Broadband Low Noise Amplitier,BBLNA)是通信、测控等接收系统的关键部件,它的噪声系数、增益及频响特性等指标直接影响着接收系统的主要性能。因此在宽频带接收系统领域,宽频带低噪

  引言k6E自动化在线网

  宽频带低噪声放大器(Broadband Low Noise Amplitier,BBLNA)是通信、测控等接收系统的关键部件,它的噪声系数、增益及频响特性等指标直接影响着接收系统的主要性能。因此在宽频带接收系统领域,宽频带低噪声放大器的设计将具有非常广阔的市场前景。各种低噪声器件的功率增益都是随着频率的升高而降低,以每倍频程大约3~5 dB规律下降。为获得较宽又较平坦的频响特性,就必须对增益滚降进行补偿。可是有意降低低频段的增益必然使输入、输出驻波比变坏,同时噪声系数也将变大。但是对于宽频带低噪声放大器来说,一般不可能使用隔离器来改善驻波比。另外,低噪声器件的输入、输出阻抗也随频率有较大变化,更增加了匹配电路的复杂性。尽管宽频带低噪声放大器的电路结构有多种形式,但采用Lange耦合器设计的平衡式放大器有噪声方面的优点,其噪声系数与单端低噪声放大器差不多,而在设计匹配电路时,可以完全按照最佳噪声匹配设计,不必兼顾输入、输出驻波比。因此选择平衡式电路结构来进行宽频带低噪声放大器的设计。k6E自动化在线网

  1 设计原理k6E自动化在线网

  平衡式宽频带低噪声放大器由两只低噪声器件和两个Lange耦合器组成,其中两支低噪声器件及其匹配电路网络完全一致,减小了匹配电路计算的复杂性,输入、输出驻波比好,噪声小,工作频带可达1~2倍频程。k6E自动化在线网

  2 Lange耦合器k6E自动化在线网

  Lange耦合器又称90°三分贝电桥,其结构示意图如图1所示,在宽频带和紧耦合特性上比其他耦合器有非常突出的优势。设计思路是利用几条耦合线彼此平行,使得线的两边都产生耦合从而实现紧耦合,并通过补偿相速达到改善带宽。常用的微波电路仿真软件几乎都建有典型模型,以便于辅助设计。k6E自动化在线网

  放大器k6E自动化在线网

  3 设计原理k6E自动化在线网

  平衡式宽频带低噪声放大器原理图见图2,若输入射频信号fin的功率和相位分别为P和0°,经Lange耦合器等分为P1,P2两部分。P1相位为 -90°,P2相位为-180°,分别由两只经过配对的低噪声器件放大。由于匹配电路一致,增益G相同,传输相移皆改变180°,放大后的两路信号分别为 GP1,GP2,GP1相位为-270°,GP2相位为0°。两路信号再经耦合器合成后,在B4端口GP1,GP2大小相等,相位相差180°,没有功率输出;在B1端口GP1,GP2相位相同,两部分功率叠加输出fout,其大小为GP1+GP2=G(P1+P2)=GP.即在理想状态下,平衡式宽频带低噪声放大器的增益等于单只低噪声器件的增益。k6E自动化在线网

  放大器k6E自动化在线网

  采用平衡式电路结构具有以下优点:k6E自动化在线网

  (1)由于每只低噪声器件只承担一半功率放大,则放大器输出功率1 dB压缩点将增大3 dB,相应动态范围也增大3 dB,三阶交调约改善6 dB.k6E自动化在线网

  (2)端口驻波比得到很大改善,现假设V1,V2的反射系数相等,射频信号fin由耦合器A1端口输入,等分成两部分由A2,A3端口输出,A2端口的反射功率再回到A1端口,总路径相移为-180°;A3端口的反射功率再回到A1端口,总路径相移为-360°,显然两部分反射功率大小相等,相位相反而抵消,因此在A1端口没有反射功率。另外,V1,V2的反射功率在A4端口相叠加,需要加50 Ω匹配负载RL进行吸收。通过耦合器的移相作用,理想情况下端口驻波比恒为1.k6E自动化在线网

  (3)提高了放大器工作的稳定性,放大器稳定性的判定条件如下:k6E自动化在线网

  放大器k6E自动化在线网

  式中:△=S11S22-S12S21,K为稳定因子。当同时满足上面三个条件时,放大器绝对稳定。可以证明平衡式放大器的稳定性判别系数K恒大于1. 在图2中,A1端口和B1端口理论上是无反射的,不存在由于信号源或者负载的反射可能造成的自激振荡。尽管单只低噪声器件本身在低频段存在潜在不稳定性,然而只要匹配电路设计良好,A1端口和B1端口之间就是绝对稳定的。这个特性在宽频带接收系统中很重要,特别在天线与放大器匹配时,效果将更加明显。k6E自动化在线网

  (4)平衡放大器最低噪声系数和单端放大器基本相同,但在设计匹配电路时,可以完全按照最佳噪声匹配设计,以获得理想最小噪声匹配,不必兼顾驻波比。k6E自动化在线网

  在窄频带低噪声放大器中,直流偏压供电引入线的常用结构是λg/4高阻抗微带线,其终端采用扇形线或电容对高频短路,这种结构可用的工作频带最高不过 40%~50%带宽。因此在宽频带低噪声放大器电路中,不可能再用这种形式的偏压引入线,可采用微带线中心跳线型式的偏压引入线,即把跳线焊接在微带中心轴线上,在理想状态下微带线中心正上方空间处没有电场分布。跳线外端焊点对微带边沿的距离至少要大于基片厚度,以保证焊接点在电场之外。由于跳线直径对电感量影响较弱,长度对电感量影响较大,需准确控制。跳线可适当离开基片表面,以减小地板对电感量的影响。另外还需考虑电源的低频滤波和级间低频去耦电容,去耦和旁路电路要足够大,以免出现低频振荡。微带电路中的隔直电容尽量采用高Q值、高稳定温度系数、无谐振及低损耗的宽频带表贴电容,如美国DLI公司 C06系列产品。屏蔽盒体横向宽度应小于最高工作频率的半波长,以避免盒体内部空间产生波导传输效应。微带基片应保持良好接地,固定螺钉的数量要相对多一点,最好螺钉孔的孔壁金属化接地。调试时在盒体的上盖板内表面贴敷相应频段吸波材料,以减小空间耦合所引起的带内增益起伏。


宽频带低噪声放大器的设计方案
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