0 引言
在雷達射頻接收系統中，對系統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的雜波干擾，提高系統的靈敏度；另一方面可以放大系統的射頻信號，保證系統正常工作。因此，低噪聲放大器的性能制約著整個接收系統的性能，對整個接收系統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，已經成為微波技術中發展的核心之一。
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展需求的前提下，從放大器本身的特性出發，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小于2 dB，增益在32 dB以上，根據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，輸入匹配網絡設計時必須按最小噪聲系數匹配。實際上要得到最小噪聲，輸入網絡往往都是失配的。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。對于輸出匹配網絡，除了要保證輸出功率外，還要保證整個帶內的增益平坦度，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，其結構如圖2所示。此處偏置網絡是一個電阻電源。其優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生低頻振蕩，因此，在匹配直流電路時，需要優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；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換的。
根據以上的方程，只要知道了Zoo和Zoe，查表便可以求出物理尺寸之比，再經過仿真進行優化設計。
1．3．2 平衡電橋仿真
采用精細陶瓷基片，其介電常數為εr=9．8。利用ADS軟件進行仿真如圖3所示，仿真結果如圖4所示。
1．4 系統仿真設計
1．4．1 穩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，重點考慮穩定性、噪聲系數、增益和增益平坦度。
首先，進行穩定性設計。根據絕對穩定的充分必要條件：K>1和|△|<1。
根據其S參數(見表1)，計算可得，在4～8 GHz的帶寬內，0
再次，需要對放大器進行寬帶內的設計。從本質上講，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，保持放大器的增益不變。為此，應適當地設計匹配網絡或者反饋網絡，在保持最佳噪聲系數的情況下補償|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：采用補償匹配網絡與負反饋電路相結合的技術，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|，提高系統的穩定性。二者結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、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，而且，級聯的第二級也需要保證設計的噪聲系數小。由于總增益在32 dB以上，根據晶體管的S參數，兩級增益達不到要求，因此，需要三級級聯。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。
1．4．2 整體仿真
采用精細陶瓷基片，介電常數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。
三級級聯后，仿真結果如圖6所示。
根據指標要求，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 裝配和測試結果
2．1 裝配和調試
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、穩定性好、可靠性高等一系列的優點，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，對帶內平坦度進行調試。通過在電路中敏感部位改變容性和感性的大小來調節平坦度，使其滿足指標，如圖7所示。
2．2 測試結果
噪聲系數測試結果見表2。
增益和駐波比測試結果如圖8所示。
1dB壓縮點測試，結果見表3。
測試結果表明，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 結論
C波段寬帶低噪聲放大器設計在國內外已有一些研究，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、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波段表現性能優良。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。