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【摘 要】我们国家的经济在不断的发展，科学技术水平也在不断的提高。本文介绍了一种X波段多功能频率合成器的设计方法，该方法以直接数字频率合成（DDFS）和直接式模拟合成技术为基础设计并实现了一种适用于X波段（11～12GHz）的高性能（LNA），该选用GaAsFET（MGF4941AL）低噪声半导体管，采用三级级联的方式设计，三级通过采用不同静态工作点之间的配合，达到降低放大器噪声提高增益的目的。利用微波电路仿真软件ADS仿真优化后加工实物并测试。测试结果表明，在11～12GHz工作频带内的噪声系数小于2dB，输入/输出驻波比（VSWR）小于2，功率增益大于30dB，增益平坦度小于1.5dB，适用于X波段接收机前端。
【关键词】X波段；接收；变频设计
一、设计方案
根据某X波段雷达接收前端的设计要求，位于接收机前端的主要设计指标如下：
工作频率：11～12GHz
噪声系数：NF≤2dB；
输入/输出驻波比：VSWR≤2；
增益：≥30dB；
增益平坦度：≤1.5dB。
主要设计指标包括：频带范围、系统稳定性、噪声系数、输入/输出驻波比、增益、增益平坦度等，在进行的设计时，首先确保系统在工作频带内的稳定性，其次是合理的噪声系数、增益及增益平坦度，这些指标需要通过晶体管放大器的外围电路来实现。完整的多级的外围电路主要包括：稳定性设计电路、直流偏置电路、输入/输出匹配电路、级间匹配电路等。高增益、低噪声系数的设计比较困难，高增益需要多级级联才能够达到效果，而多级必然影响整个放大器的噪声系数和匹配难度等。
本设计的最大特点就是采用三级级联方式，每一级采用相同晶体管放大器，但各级采用不同的静态工作点，每一级的噪声系数和增益特性都不一样，利
用级与级之间的相互配合及源级负反馈、双T型匹配电路、级与级之间的π型滤波电路等技术来实现的低噪声和高性能。
二、电路设计
本设计主要包括以下几个方面。
1、器件及基板选取
设计首先要选取合适的晶体管放大器，结合工作频带、性能指标、性价比等多方面因素考虑，选用三菱公司的GaAsFET（MGF4941AL）超低噪声放大管，该管材具有超低噪声、稳定性好等优点。介质基板选用Rogers4003C板材，其相对介电常数εr=3.55，厚度H=0.508mm，表面铜箔厚度T=0.018mm。其他电容、电阻、电感器件选用村田公司元件。
2、稳定性设计
晶体管放大器工作在高频段时存在内部反馈，当反馈达到一定程度时，就会导致放大器稳定性变差而产生自激，致使其不能正常工作。因此在设计时必须确保它在工作频带内处于稳定工作状态，判定其稳定的条件如下：
式中：K为判定晶体管是否稳定的林威尔系数；Δ为晶體管绝对稳定性的辅助判定因子；S11、S12、S21、S22是晶体管形成的二端口网络的散射参数。晶体管放大器必须同时满足公式两个条件才能确保处于绝对稳定工作状态。利用ADS仿真单级放大电路时，发现此单级放大电路在工作频段内并非处于绝对稳定状态。解决不稳定的措施有多种，如放大器源级串联阻抗负反馈、铁氧体隔离器法等。本设计采用在源级串联一段长度为0.3mm、宽度为0.6mm的微带线来替代串联阻抗，不但能够起到与串联阻抗同样的作用，且具有尺寸小便于加工调整等优点。图1为加入负反馈前后系统的稳定性系数曲线。
3、直流偏置电路的设计
直流偏置电路是本设计中的关键部分，决定晶体管放大器能否在拟定的静态工作点下正常工作。不同的静态工作点对的噪声、增益特性有一定的影响。多级放大器的噪声系数为
式中：Nf1、Nf2、Nf3分别为第一、二、三级的噪声系数；G1、G2分别为第一、二级的增益；由公式可以看出多级级联式的噪声受第一级的噪声影响最大。根据厂家提供的数据手册，选用的放大芯片的典型静态工作点为VDS=2V、IDS=10mA，此时芯片增益为13.5dB@12GHz，噪声系数为0.35dB@12GHz。仿真发现此典型静态工作点并不能保证三级级联后整体放大器达到预期指标。根据放大芯片在不同静态工作点下表现出不同的性能参数，本设计采用三级放大器工作于不同静态工作点之间的配合来实现设计指标。参照图2，放大器的静态工作点一般选取在图中标定的矩形框图之内。矩形框图对角连线斜率的倒数即为放大器的最佳负载，此时的偏压点即为对角线中点。当静态工作点选择在m1点的时候虽然放大器获得增益稍小，但此时噪声小。当静态工作点选择在m2点时，放大器能够获得高输出功率和低失真。结合设计要求和直流参数仿真结果，分析各级对系统不同性能影响的大小，最终对每级放大器的静态工作点做如下设置：第一级对系统噪声影响较大，因此采用小电流静态工作点，漏极电压和电流分别为VDS=2V和IDS=10mA，尽可能降低噪声；第二级和第三级对系统增益和稳定性影响较大，采用高电流静态工作点，漏极电压和电流分别为VDS=3V和IDS=20mA，提高系统增益和稳定性。
直流偏置电路的供电方式主要有两种：一种是单电源供电，一种是正负双电源供电。单电源供电虽然结构简单，但一般适用于低频微波电路，对高频电路的噪声有一定的影响且灵活性较差。本设计采用正负双电源供电，同时在正负电源输入端均添置了去耦电容，晶体管放大器栅极和漏极供电处引入四分之一波长扇形微带结构，这样既能防止高频干扰，又能有效滤除电源噪声对电路的影响。偏置电路原理图如图3所示。
4、匹配电路设计
匹配电路包括：输入匹配、级间匹配、输出匹配。匹配电路的作用为调节低噪声放大器的噪声系数、增益及平坦度、输入/输出驻波比等指标之间的相互影响。首先设计输入匹配电路，由公式（3）可知系统噪声主要取决于第一级。因此输入匹配电路的设计 须按照第一级引入最小噪声法则设计。单级放大器的噪声系数为：
式中：Fmin为器件可获得的最小噪声系数；Rn为器件等效噪声电阻；Γs为信源反射系数；Γopt为最佳信源反射系数；Z0为特性阻抗。由此知，当Γs=Γopt时，F噪声系数得到最佳噪声系数Fmin。其次设计级间匹配电路，由于最佳噪声匹配点与最佳功率匹配点并不重合，因此需要级间匹配电路来调节噪声、增益及增益平坦度等指标。调节级间匹配时，电路一、二级之间的匹配电路按照使第二级放大器获得最优噪声为标准调节优化，二、三级之间的匹配电路按照使放大器获得最优增益为标准调节。最后优化得到的匹配电路微带线宽度为0.6mm，长度不再一一指出。
三、相位噪声
本频率合成器中近区相位噪声主要由晶体振荡器、倍频器及谐波发生器的剩余相位噪声决定，理论上，倍频器及谐波发生器对输入信号的相位噪声有20logN的恶化，而分频器对输入信号有20logN的改善作用，N为倍频或分频次数。本频率合成器选用的80MHz晶体振荡器相位噪声为-160dBc/Hz@1kHz，X波段一本振由频标组件和DDFS混频产生，频标组件以10GHz输出为例，相对
于80MHz而言，其等效的倍频次数为125，则频标组件输出的相位噪声理论上为：
-160dBc/Hz@1kHz+20log125=-118dBc/Hz@1kHz960MHz时钟信号相噪为：
-160dBc/Hz@1kHz+20log12=-138dBc/Hz@1kHz
四、研制結果
图4相位噪声
图5杂散
本频率合成器采用了双面分腔结构，铝合金材料制造，外形尺寸为245×200×33（mm），重量约为2.6kg。其相位噪声、杂散测试结果如图4、图5所示。测试结果，其相位噪声达到了-108dBc/Hz@1kHz，杂散电平在4GHz带宽内优于-70dBc，与设计吻合较好。
五、结束语
本文介绍了一种X波段多功能频率合成器（激励器）的设计方法，通过采用“DDFS+直接式”合成本振信号，采用“AWG+正交调制”形成激励和雷达回波信号，同时实现了本振信号、激励器、模拟器三者的一体化设计；本频率合成器兼具直接式数字频率合成、直接式模拟合成的优点，良好的波形和频率扩展能力，实际测试表明测试结果和仿真结果吻合较好。内埋功分器也具备实际使用价值。
参考文献：
[1]柴文乾，代传堂.一种多波段搜索雷达模拟器的收/发设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2008，06.
[2]高勇，王绍东.采用LTCC技术的X波段接收前端MCM设计[J].现代雷达，2008，05.
[3]庞玉会.一种X波段小型化上下变频组件的研制[J].现代电子技术，2012，23.
[4]王健，穆铁军，王学芝.Ku波段频综接收机研制[J].微波学报，2012，S1.
[5]陈健.基于FPGA的数字下变频的仿真设计[J].机电技术，2013，05.
【关键词】X波段；接收；变频设计
一、设计方案
根据某X波段雷达接收前端的设计要求，位于接收机前端的主要设计指标如下：
工作频率：11～12GHz
噪声系数：NF≤2dB；
输入/输出驻波比：VSWR≤2；
增益：≥30dB；
增益平坦度：≤1.5dB。
主要设计指标包括：频带范围、系统稳定性、噪声系数、输入/输出驻波比、增益、增益平坦度等，在进行的设计时，首先确保系统在工作频带内的稳定性，其次是合理的噪声系数、增益及增益平坦度，这些指标需要通过晶体管放大器的外围电路来实现。完整的多级的外围电路主要包括：稳定性设计电路、直流偏置电路、输入/输出匹配电路、级间匹配电路等。高增益、低噪声系数的设计比较困难，高增益需要多级级联才能够达到效果，而多级必然影响整个放大器的噪声系数和匹配难度等。
本设计的最大特点就是采用三级级联方式，每一级采用相同晶体管放大器，但各级采用不同的静态工作点，每一级的噪声系数和增益特性都不一样，利
用级与级之间的相互配合及源级负反馈、双T型匹配电路、级与级之间的π型滤波电路等技术来实现的低噪声和高性能。
二、电路设计
本设计主要包括以下几个方面。
1、器件及基板选取
设计首先要选取合适的晶体管放大器，结合工作频带、性能指标、性价比等多方面因素考虑，选用三菱公司的GaAsFET（MGF4941AL）超低噪声放大管，该管材具有超低噪声、稳定性好等优点。介质基板选用Rogers4003C板材，其相对介电常数εr=3.55，厚度H=0.508mm，表面铜箔厚度T=0.018mm。其他电容、电阻、电感器件选用村田公司元件。
2、稳定性设计
晶体管放大器工作在高频段时存在内部反馈，当反馈达到一定程度时，就会导致放大器稳定性变差而产生自激，致使其不能正常工作。因此在设计时必须确保它在工作频带内处于稳定工作状态，判定其稳定的条件如下：
式中：K为判定晶体管是否稳定的林威尔系数；Δ为晶體管绝对稳定性的辅助判定因子；S11、S12、S21、S22是晶体管形成的二端口网络的散射参数。晶体管放大器必须同时满足公式两个条件才能确保处于绝对稳定工作状态。利用ADS仿真单级放大电路时，发现此单级放大电路在工作频段内并非处于绝对稳定状态。解决不稳定的措施有多种，如放大器源级串联阻抗负反馈、铁氧体隔离器法等。本设计采用在源级串联一段长度为0.3mm、宽度为0.6mm的微带线来替代串联阻抗，不但能够起到与串联阻抗同样的作用，且具有尺寸小便于加工调整等优点。图1为加入负反馈前后系统的稳定性系数曲线。
3、直流偏置电路的设计
直流偏置电路是本设计中的关键部分，决定晶体管放大器能否在拟定的静态工作点下正常工作。不同的静态工作点对的噪声、增益特性有一定的影响。多级放大器的噪声系数为
式中：Nf1、Nf2、Nf3分别为第一、二、三级的噪声系数；G1、G2分别为第一、二级的增益；由公式可以看出多级级联式的噪声受第一级的噪声影响最大。根据厂家提供的数据手册，选用的放大芯片的典型静态工作点为VDS=2V、IDS=10mA，此时芯片增益为13.5dB@12GHz，噪声系数为0.35dB@12GHz。仿真发现此典型静态工作点并不能保证三级级联后整体放大器达到预期指标。根据放大芯片在不同静态工作点下表现出不同的性能参数，本设计采用三级放大器工作于不同静态工作点之间的配合来实现设计指标。参照图2，放大器的静态工作点一般选取在图中标定的矩形框图之内。矩形框图对角连线斜率的倒数即为放大器的最佳负载，此时的偏压点即为对角线中点。当静态工作点选择在m1点的时候虽然放大器获得增益稍小，但此时噪声小。当静态工作点选择在m2点时，放大器能够获得高输出功率和低失真。结合设计要求和直流参数仿真结果，分析各级对系统不同性能影响的大小，最终对每级放大器的静态工作点做如下设置：第一级对系统噪声影响较大，因此采用小电流静态工作点，漏极电压和电流分别为VDS=2V和IDS=10mA，尽可能降低噪声；第二级和第三级对系统增益和稳定性影响较大，采用高电流静态工作点，漏极电压和电流分别为VDS=3V和IDS=20mA，提高系统增益和稳定性。
直流偏置电路的供电方式主要有两种：一种是单电源供电，一种是正负双电源供电。单电源供电虽然结构简单，但一般适用于低频微波电路，对高频电路的噪声有一定的影响且灵活性较差。本设计采用正负双电源供电，同时在正负电源输入端均添置了去耦电容，晶体管放大器栅极和漏极供电处引入四分之一波长扇形微带结构，这样既能防止高频干扰，又能有效滤除电源噪声对电路的影响。偏置电路原理图如图3所示。
4、匹配电路设计
匹配电路包括：输入匹配、级间匹配、输出匹配。匹配电路的作用为调节低噪声放大器的噪声系数、增益及平坦度、输入/输出驻波比等指标之间的相互影响。首先设计输入匹配电路，由公式（3）可知系统噪声主要取决于第一级。因此输入匹配电路的设计 须按照第一级引入最小噪声法则设计。单级放大器的噪声系数为：
式中：Fmin为器件可获得的最小噪声系数；Rn为器件等效噪声电阻；Γs为信源反射系数；Γopt为最佳信源反射系数；Z0为特性阻抗。由此知，当Γs=Γopt时，F噪声系数得到最佳噪声系数Fmin。其次设计级间匹配电路，由于最佳噪声匹配点与最佳功率匹配点并不重合，因此需要级间匹配电路来调节噪声、增益及增益平坦度等指标。调节级间匹配时，电路一、二级之间的匹配电路按照使第二级放大器获得最优噪声为标准调节优化，二、三级之间的匹配电路按照使放大器获得最优增益为标准调节。最后优化得到的匹配电路微带线宽度为0.6mm，长度不再一一指出。
三、相位噪声
本频率合成器中近区相位噪声主要由晶体振荡器、倍频器及谐波发生器的剩余相位噪声决定，理论上，倍频器及谐波发生器对输入信号的相位噪声有20logN的恶化，而分频器对输入信号有20logN的改善作用，N为倍频或分频次数。本频率合成器选用的80MHz晶体振荡器相位噪声为-160dBc/Hz@1kHz，X波段一本振由频标组件和DDFS混频产生，频标组件以10GHz输出为例，相对
于80MHz而言，其等效的倍频次数为125，则频标组件输出的相位噪声理论上为：
-160dBc/Hz@1kHz+20log125=-118dBc/Hz@1kHz960MHz时钟信号相噪为：
-160dBc/Hz@1kHz+20log12=-138dBc/Hz@1kHz
四、研制結果
图4相位噪声
图5杂散
本频率合成器采用了双面分腔结构，铝合金材料制造，外形尺寸为245×200×33（mm），重量约为2.6kg。其相位噪声、杂散测试结果如图4、图5所示。测试结果，其相位噪声达到了-108dBc/Hz@1kHz，杂散电平在4GHz带宽内优于-70dBc，与设计吻合较好。
五、结束语
本文介绍了一种X波段多功能频率合成器（激励器）的设计方法，通过采用“DDFS+直接式”合成本振信号，采用“AWG+正交调制”形成激励和雷达回波信号，同时实现了本振信号、激励器、模拟器三者的一体化设计；本频率合成器兼具直接式数字频率合成、直接式模拟合成的优点，良好的波形和频率扩展能力，实际测试表明测试结果和仿真结果吻合较好。内埋功分器也具备实际使用价值。
参考文献：
[1]柴文乾，代传堂.一种多波段搜索雷达模拟器的收/发设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2008，06.
[2]高勇，王绍东.采用LTCC技术的X波段接收前端MCM设计[J].现代雷达，2008，05.
[3]庞玉会.一种X波段小型化上下变频组件的研制[J].现代电子技术，2012，23.
[4]王健，穆铁军，王学芝.Ku波段频综接收机研制[J].微波学报，2012，S1.
[5]陈健.基于FPGA的数字下变频的仿真设计[J].机电技术，2013，05.