射頻放大器

射頻功率放大器（RF PA）是各種無線發(fā)射機的重要組成部分。在發(fā)射機的前級電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號功率很小，需要經(jīng)過一系列的放大一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。

分類及用途

射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同，分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的導通角為360°，適用于小信號低功率放大，乙類放大器電流的導通角等于180°，丙類放大器電流的導通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

技術參數(shù)

放大器的主要技術指標：

（1）頻率范圍：放大器的工作頻率范圍是選擇器件和電

路拓撲設計的前提。

（2）增益：是放大器的基本指標。按照增益可以確定放

大器的級數(shù)和器件類型。G（db）=10log（Pout/Pin）=S21（dB）

（3）增益平坦度和回波損耗

VSWR《2.0orS11，S22《-10dB

（4） 噪聲系數(shù)：放大器的噪聲系數(shù)是輸入信號的信噪比 與輸出信號的信噪比的比值，表示信號經(jīng)過放大器后信號質(zhì)量的變壞程度。NF（dB）=10log［（Si/Ni）/（So/No）］

射頻放大器的功率參數(shù)

現(xiàn)代的無線通信中，射頻設備的使用相當普及，而射頻放大器在設備中起粉至關重要的作用，放大器中有關功率參數(shù)的測t也引起相當?shù)闹匾暎趯嶋H的研發(fā)生產(chǎn)中對功率參數(shù)的理解和應用存在一定的誤解，下面就一個放大器的特性來說明相關功率參數(shù)的含義和應用 。

在描述一個放大器時，基本的參數(shù)有增益和最大輸出電平（功率）。為對增益有較為準確的描述，引人線性特性的參數(shù)來衡t，通常用ldB壓縮點對應輸人功率和線性垠小輸人電平來表示，兩者之差就是放大器的輸人動態(tài)范圍。對于ldB壓縮點，在GSM直放站標準YD汀952一1998中是這樣描述的：ldB壓縮點輸出功率是指放大器在增益下降ldB時，對應此時的輸人功率，用圖示方法表示是指當時的實際輸出功率比理想的線形放大器對應的輸出功率小ldB 。

為進一步描述線性度。還有一個指標就是增益步長誤差，表示的是當輸人變化單位信號強度時輸出是否也變化相同的大小 。

一個實際的放大器，由于物理特性和噪聲的影響，當輸人電平太小時不能保持有線性狀態(tài)。因此引人最小輸出電平的概念。通常認為輸出比噪聲電平高3dB時對應的輸人電平為最小輸人電平。放大器的輸出噪聲功率為：P=kTBGF 。

在雷達射頻接收系統(tǒng)中，對系統(tǒng)性能指標的要求越來越高，其中低噪聲放大器是影響著整個接收系統(tǒng)的噪聲指標的重要因素。與普通的放大器相比，低噪聲放大器作用比較突出，一方面可以減少系統(tǒng)的雜波干擾，提高系統(tǒng)的靈敏度；另一方面可以放大系統(tǒng)的射頻信號，保證系統(tǒng)正常工作。因此，低噪聲放大器的性能制約著整個接收系統(tǒng)的性能，對整個接收系統(tǒng)性能的提高起了決定性的作用。因此，研制寬頻帶、高性能、更低噪聲的放大器，已經(jīng)成為微波技術中發(fā)展的核心之一。

本文介紹的新型寬帶低噪聲放大器就是在當前工程技術發(fā)展需求的前提下，從放大器本身的特性出發(fā)，采用薄膜混合集成電路和先進的共晶微組裝工藝，應用平衡式放大電路，精心研制而成的。

1 電路設計

1．1 電路原理

設計要求整個低噪聲放大器的噪聲系數(shù)小于2 dB，增益在32 dB以上，根據(jù)單片放大器目前的增益，需要設計三級放大鏈路，設計框圖如圖1所示。

要達到這種要求，輸入匹配網(wǎng)絡設計時必須按最小噪聲系數(shù)匹配。實際上要得到最小噪聲，輸入網(wǎng)絡往往都是失配的。但是由于指標要求駐波比要小于2，因此，輸入網(wǎng)絡首先要兼顧端口駐波比。對于級間匹配一，既要保證噪聲要低，后級對前級的噪聲貢獻要低，又要保證較高的增益，其次還要兼顧兩級放大器管芯間駐波比情況。對于級間匹配二，則要求保持較高的增益以及合理的增益平坦度。對于輸出匹配網(wǎng)絡，除了要保證輸出功率外，還要保證整個帶內(nèi)的增益平坦度，以及良好的輸出駐波比。

1．2 偏置電路形式

本文采用共源極接法，自偏置電路形式，單電源供電，其結(jié)構如圖2所示。此處偏置網(wǎng)絡是一個電阻電源。其優(yōu)點是能夠提供自動瞬時保護功能，而且，單電源供電方便。但是，電阻電源同時也會使噪聲性能惡化，而且電源的旁路電容會產(chǎn)生低頻振蕩，因此，在匹配直流電路時，需要優(yōu)化設計采用合適的偏置電阻，使噪聲性能惡化最小。

1．3 平衡電橋設計

1．3．1 耦合器設計原理

由于采用了平衡式電路，所以，首先需要設計3 dB定向耦合器。在此選用交指線耦合器。交指線耦合器是一種多導體耦合器，其優(yōu)點是：體積小；與雙耦合線器件比較，它的線間距離較大，容易實現(xiàn)；與分支線耦合比較，它帶寬寬。關于這種3 dB交指線耦合器在目前尚沒有精確的設計方法。一般情況下，其耦合度按以下的三個設計方程來計算，電路的作用就是完成這種阻抗轉(zhuǎn)換的。

根據(jù)以上的方程，只要知道了Zoo和Zoe，查表便可以求出物理尺寸之比，再經(jīng)過仿真進行優(yōu)化設計。

1．3．2 平衡電橋仿真

采用精細陶瓷基片，其介電常數(shù)為εr=9．8。利用ADS軟件進行仿真如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

1．4 系統(tǒng)仿真設計

1．4．1 穩(wěn)定性設計和寬帶設計

由于采用平衡電路，因此，輸入、輸出駐波比可以放在最后整體仿真時考慮。仿真時，重點考慮穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)、增益和增益平坦度。

首先，進行穩(wěn)定性設計。根據(jù)絕對穩(wěn)定的充分必要條件：K》1和|△|《1。

根據(jù)其S參數(shù)（見表1），計算可得，在4～8 GHz的帶寬內(nèi)，0《K《1，|△|《1，潛在不穩(wěn)定。在電路中加入平衡電橋做仿真顯示，電路中的K》1，此時，整個電路將變成絕對穩(wěn)定。因此，采用電橋?qū)⑹沟谜麄€電路的穩(wěn)定性設計變得簡單。

再次，需要對放大器進行寬帶內(nèi)的設計。從本質(zhì)上講，寬帶低噪聲放大器的設計就是要求在一個相對較寬的頻率范圍內(nèi)，保持放大器的增益不變。為此，應適當?shù)卦O計匹配網(wǎng)絡或者反饋網(wǎng)絡，在保持最佳噪聲系數(shù)的情況下補償|S21|隨頻率的變化。一般來講，設計寬帶低噪聲放大器有兩種通用技術：補償匹配網(wǎng)絡及運用負反饋電路。在平衡電路中，噪聲通常是按最佳噪聲來設計的。但是，由于按最佳噪聲設計往往以犧牲增益為前提，而如果按最大增益設計，往往噪聲性能又將惡化。所以，為了二者兼顧，折衷考慮。按最佳噪聲設計出的放大器帶寬往往是很窄的，所以在做寬帶匹配電路時，輸入、輸出端往往是失配的。本文的設計思路是：采用補償匹配網(wǎng)絡與負反饋電路相結(jié)合的技術，利用平衡電橋來獲得最佳輸入和輸出VSWR；利用負反饋來補償隨頻率變化的|S21|，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。二者結(jié)合最終達到所需要的設計目標。

最后，將對上述的低噪聲晶體管，利用ADS進行仿真設計成一個單片，并保證良好的輸入／輸出比、低的噪聲系數(shù)、高的增益，并把設計好的單片作為放大器的第一級。在這個前提下，再進行級聯(lián)，而且，級聯(lián)的第二級也需要保證設計的噪聲系數(shù)小。由于總增益在32 dB以上，根據(jù)晶體管的S參數(shù)，兩級增益達不到要求，因此，需要三級級聯(lián)。最后一級，要有高的增益特性和良好的線性度。這樣，放大器的增益特性、噪聲特性、輸入／輸出特性，功率特性等都可以保證實現(xiàn)。

1．4．2 整體仿真

采用精細陶瓷基片，介電常數(shù)εr=9．8。選取富士通FHX系列，利用ADS進行仿真，電路原理圖如圖5所示。

三級級聯(lián)后，仿真結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)指標要求，整個電路的噪聲小于1．6 dB，輸入輸出駐波比小于1．7，增益在35～37．1 dB之間。設計滿足指標要求。

2 裝配和測試結(jié)果

2．1 裝配和調(diào)試

各單片加工完成之后，采用共晶工藝進行焊接，并利用導電膠將芯片粘接在底部基片上。共晶工藝具有機械強度高、熱阻小、穩(wěn)定性好、可靠性高等一系列的優(yōu)點，是目前國際上比較先進的工藝。導電膠粘接技術工藝性好、固化容易、固化物致密、粘接力強。由于其耐熱

性有限，因此導電膠的固化溫度和固化時間的長短對粘接強度影響較大。一般采用合適的溫度和時間來固化達到較理想的效果。

設計完成后，對帶內(nèi)平坦度進行調(diào)試。通過在電路中敏感部位改變?nèi)菪院透行缘拇笮碚{(diào)節(jié)平坦度，使其滿足指標，如圖7所示。

2．2 測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，實驗值與理論設計值吻合得較好，表明這種設計方法可取。

3 結(jié)論

C波段寬帶低噪聲放大器設計在國內(nèi)外已有一些研究，但是該滿足寬帶高性能指標要求的工程設計案例還不多。該設計的寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)、增益、增益平坦度、輸入輸出駐波比以及1 dB壓縮點的功率均達到和超過指標要求，并且該放大器在整個C波段表現(xiàn)性能優(yōu)良。因此，在雷達和電子對抗等工程領域可以得到廣泛應用。另外，在C波段寬帶低噪聲放大器的小型化和集成化設計上還需進一步探索。