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【摘 要】本文主要针对低噪声放大器组成及特点以及宽带低噪声放大器设计进行简要分析，仅供参考。
【关键词】低噪放；限幅器；宽带；PIN二极管；小型化
一、低噪声放大器组成及特点
低噪声放大器由输入匹配网络、微波晶体放大器和输出匹配网络组成。匹配网络采用微带线、分支调节器和波长阻抗变换器组成。它主要有4个特点：第一，它位于接收机最前端，
这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在工作频带内应该是稳定的；第二，它所接收的信号是微弱的，所以低噪声放大器必须是小信号放大器，而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴隨许多强干扰信号的输入，因此要求放大器有足够的线性范围，而且增益最好是可调节的；第三，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线滤波器相连，放大器的输入端必须和它们很好地匹配，以达到功率最大传输或者最小的噪声系数，并保证滤波器的性能；第四，应具有一定的选频功能，能够抑制带外和镜像频率干扰，因此它一般是频带放大器。
二、电路设计
1、限幅器设计
限幅器一般应用于接收前端的最前面，用于保护后接电路，使其免受强信号的影响而烧毁。限幅器常采用PIN管作为控制元件，其I层比常规PIN管要薄许多。微波限幅器是一种自控衰减器，一种功率调制器件。当信号输入功率较小时无衰减通过；当输入功率增大到超过某一值时，衰减会迅速增大。这一功率值称为门限电平，输入功率超过门限电平后，输出功率微小变化。
主要设计指标：频率1-3GHz，插入损耗≤0.6dB，输入、输出驻波比VSWR≤1.3，抗烧毁功率≥100E@10%占空比（脉宽50μs）。限幅器最重要的指标就是功率容量，其性能取决于PIN管的功率容量，而PIN管的功率容量主要受到下列两方面的限制：一是管子导通时所允许的最大功率；二是管子导通时所能承受的最大反向电压。
串联应用时，正向时限幅PIN管的最大承受功率：
反向时限幅PIN管的最大承受功率：
并联应用时，正向时限幅PIN管的最大承受功率：
反向时限幅PIN管的最大承受功率：
式中：Rf为PIN管的正向导通电阻；Pdm为PIN管的最大耗散功率；VBR为反向击穿电压；Z0是系统的特征阻抗。
限幅器的最大功率容量取两者中的最小值。并联型限幅器与串联型限幅器相比，就其正向而言，电路功率容量两者相等，就其反向而言，前者电路的功率容量比后者大4倍。
根据上述理论，为了提高限幅器的功率容量，文中采用了3级管子并联连接。由于要求100W的耐功率，因此第一级选择GC4750，该管芯的I层相对较厚，击穿电压较高，能够承受较大的微波功率，在理想接地散热的情况下，它最高可将56dBm@10μs（400W@10μs）功率降至44dBm（25W）。在这里，设计该管芯将50dBm（100W）限幅至40dBm，同时这里还设计使用了耦合检波电路，选用检波二极管W1004H，将检波产生的一个检波电压加给第一级管芯，降低限幅二极管的Rf（二极管正向电阻），加大对高功率微波信号的反射，降低漏至第二级限幅管的功率；设计第二级选用PIN二极管CLA4603，该管I层较薄，容易导通，可以将40dBm功率限幅至20dBm，这样进一步降低泄漏功率；第三级选用肖特基对管MGS802A构成，进一步削波限幅，将20dBm功率限幅至13dBm以下，降低限幅电平至后级放大器可靠承受功率范围之内。
图1为限幅电路的原理图，耦合器的耦合度30dB，利用ADS对耦合器耦合度、扼流电感值以及级间1/4波长微带线的长度进行调整与优化，减小插损与驻波。为了达到小型化目的，限幅电路采用介电常数10.2的微波介质板Rogers6010LM，厚度为0.635mm，二极管选用裸芯片，通过导电胶粘结在腔体底面，加强散热能力，降低二极管结温；同时也缩小安装体积，减少寄生参量，降低小信号损耗。
图1 限幅电路原理图
2、宽带低噪声放大器设计
主要设计指标：频率1-3GHz，增益≥29dB，平坦度≤±0.6dB，噪声系数NF≤0.9dB，输入输出驻波比VSWR≤1.5。
2.1电路设计方案分析
低噪声放大器的设计主要考虑放大器的噪声、增益、输入输出驻波比以及平坦度等参数。设计时应首先选择合适的器件，
本次设计中采用的是管芯为FHX45X型Super-HEMT。虽然器件数据手册上推荐频率范围为2-18GHz，但从其S参数看出器件频率可以用于低至100MHz（手册上噪声参数是从2GHz开始的，但之前的实验表明2GHz之前的噪声系数与仿真结果差别不大）。该管芯在12GHz时噪声为0.55dB，增益为12dB。
由于采用了耗尽型器件，栅源偏置电压需要为负值。文中采用栅极直流接地、源极电阻提供偏压的结构实现。图2为放大器的偏置电路，其中供电电源为+5V，通过电阻降压得到2V的漏源电压，源极偏压由源极电阻提供，这样不用单独提供栅压。FHX45X型SuperHEMT的静态工作点置于Vgs=-0.4V，Vds=2V，Ids=15mA。
图2偏置电路原理图
级联低噪声放大器噪声系数NF计算公式如下：
式中NF表示各级放大链路的噪声系数，G表示各级的增益。由上式可知级联放大器的噪声系数主要由第一级放大器决定。因此，设计的两级级联放大器中第一级采用基于最小噪声的设计，同时引入负反馈，以提高工作带宽，改善输入驻波，增强电路稳定性。级间匹配电路采用电感电阻串联接地结构，以降低频带低端部分的增益，进一步改善放大器的增益平坦度，提高放大器的稳定性。第二级放大电路通过优化输出匹配电路提高放大器功率增益和改善放大器1dB压缩点。 在设计第一级电路时将2个FHX45X并联，接法如图3所示，这样增加了管芯的栅宽，方便匹配；在输入端用微带线与电容完成最小噪声匹配，这是因为在1-3GHz集总器件的寄生参数会对电路性能有较大影响，而全部采用分布参数设计，由于频段较低会使得电路尺寸较大。综合以上考虑，文中采用集总参数与分布参数混合匹配的设计。
图3 管芯并联示意图
宽带低噪声放大器的原理框图如图4所示。利用ADS电路仿真软件通过仿真分析确定图4所示原理图各元件值。
圖4低噪放原理图
2.2低噪放电路仿真与优化
通过ADS仿真软件完成低噪放电路的优化设计，使用S参数模型对器件进行仿真，介质板采用Rogers5880，厚度为0.254mm。
仿真结果如图5所示，在频带1-3GHz内，功率增益为29.8dB，增益平坦度为±0.4dB，输入输出驻波比VSWR小于1.4，噪声系数NF小于0.9dB，仿真指标满足设计要求且留有一定余量。
图5 放大器的仿真曲线：（a）S参数曲线；（b）噪声系数曲线
三、电路测试与结果分析
根据优化结果利用Auto CAD画出微波版图与安装图，设计过程中应注意接地，可以在电路板上通过金属化通孔与腔体相连实现良好的接地。电路各单元完成设计后，采用混合电路形式制作生产。电路中有源、无源元器件通过焊料烧结与导电胶粘接等工艺步骤实现组装，各个元器件之间通过金丝键合互联。
使用矢量网络分析仪PNA N5222A测量了产品的S参数，实测结果如图6（a）所示，从图中可以看出：在1-3GHz频段内，放大器的增益大于29dB，带内平坦度优于±0.6dB，输入输出驻波比小于1.5。与仿真结果相比，实测曲线中心频点有所偏移，这主要是由于低噪放部分元器件采用金丝键合互联，金丝的长短、弯曲程度无法精确控制，因而电感量也无法精确控制。
使用噪声仪N8975A对产品噪声进行测试，实测结果如图6（b）所示，从图中可以看出在1-3GHz频段内限幅放大器的噪声系数优于1.4dB。测量以上数据时限幅低噪放工作电压为+5V，工作电流为40mA。
图6放大器的测试曲线：（a）S参数曲线；（b）噪声系数曲线
最后运用L波段占空比为10%的脉冲发射机输入100W的信号测试30min之后限幅低噪放仍能正常工作，具有良好的抗烧毁能力。
最终的实际测量结果和仿真结果稍有差异，主要是由于低噪放部分元器件采用金丝键合互联，金丝的长短、弯曲程度无法精确控制，因而电感量也无法精确控制。同时最终电路加上了前一级的限幅电路，这也会影响驻波与增益。此外，最终产品密封安装在盒体中，测试时接上了SMA接头，接头与盒体的影响不可忽略。
结束语
低噪声放大器是雷达接收前端的重要组成部分，从天线进入接收机的微弱信号由低噪声放大器进行放大，其性能是决定接收系统灵敏度和动态范围的关键。但低噪声放大器承受功率有限，因此使用时往往在其前级级联限幅器。由于成本与体积的要求，限幅器和低噪放多采用一体化设计。目前，具有更高功率容量和增益、更低噪声系数以及更小体积的限幅放大器成为国内外微波电路领域重要的研究方向。
参考文献：
[1]戴剑，要志宏，赵瑞华，宋学峰，刘帅.宽带低噪声放大器单片微波集成电路[J].半导体技术，2014，04：259-263.
[2]聂星河，郁健，程冰，於晓峰.宽带限幅低噪声放大器设计[J].固体电子学研究与进展，2014，05：445-449.
[3]邵翔鹏，张万荣，丁春宝，张卿远，高栋，周孟龙，鲁东，霍文娟.低功耗宽带CMOS低噪声放大器[J].电子器件，2014，05：908-911.
[4]易礼智，龚亮.低功耗高线性度超宽带低噪声放大器的设计[J].吉首大学学报（自然科学版），2014，06：59-63.
【关键词】低噪放；限幅器；宽带；PIN二极管；小型化
一、低噪声放大器组成及特点
低噪声放大器由输入匹配网络、微波晶体放大器和输出匹配网络组成。匹配网络采用微带线、分支调节器和波长阻抗变换器组成。它主要有4个特点：第一，它位于接收机最前端，
这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在工作频带内应该是稳定的；第二，它所接收的信号是微弱的，所以低噪声放大器必须是小信号放大器，而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴隨许多强干扰信号的输入，因此要求放大器有足够的线性范围，而且增益最好是可调节的；第三，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线滤波器相连，放大器的输入端必须和它们很好地匹配，以达到功率最大传输或者最小的噪声系数，并保证滤波器的性能；第四，应具有一定的选频功能，能够抑制带外和镜像频率干扰，因此它一般是频带放大器。
二、电路设计
1、限幅器设计
限幅器一般应用于接收前端的最前面，用于保护后接电路，使其免受强信号的影响而烧毁。限幅器常采用PIN管作为控制元件，其I层比常规PIN管要薄许多。微波限幅器是一种自控衰减器，一种功率调制器件。当信号输入功率较小时无衰减通过；当输入功率增大到超过某一值时，衰减会迅速增大。这一功率值称为门限电平，输入功率超过门限电平后，输出功率微小变化。
主要设计指标：频率1-3GHz，插入损耗≤0.6dB，输入、输出驻波比VSWR≤1.3，抗烧毁功率≥100E@10%占空比（脉宽50μs）。限幅器最重要的指标就是功率容量，其性能取决于PIN管的功率容量，而PIN管的功率容量主要受到下列两方面的限制：一是管子导通时所允许的最大功率；二是管子导通时所能承受的最大反向电压。
串联应用时，正向时限幅PIN管的最大承受功率：
反向时限幅PIN管的最大承受功率：
并联应用时，正向时限幅PIN管的最大承受功率：
反向时限幅PIN管的最大承受功率：
式中：Rf为PIN管的正向导通电阻；Pdm为PIN管的最大耗散功率；VBR为反向击穿电压；Z0是系统的特征阻抗。
限幅器的最大功率容量取两者中的最小值。并联型限幅器与串联型限幅器相比，就其正向而言，电路功率容量两者相等，就其反向而言，前者电路的功率容量比后者大4倍。
根据上述理论，为了提高限幅器的功率容量，文中采用了3级管子并联连接。由于要求100W的耐功率，因此第一级选择GC4750，该管芯的I层相对较厚，击穿电压较高，能够承受较大的微波功率，在理想接地散热的情况下，它最高可将56dBm@10μs（400W@10μs）功率降至44dBm（25W）。在这里，设计该管芯将50dBm（100W）限幅至40dBm，同时这里还设计使用了耦合检波电路，选用检波二极管W1004H，将检波产生的一个检波电压加给第一级管芯，降低限幅二极管的Rf（二极管正向电阻），加大对高功率微波信号的反射，降低漏至第二级限幅管的功率；设计第二级选用PIN二极管CLA4603，该管I层较薄，容易导通，可以将40dBm功率限幅至20dBm，这样进一步降低泄漏功率；第三级选用肖特基对管MGS802A构成，进一步削波限幅，将20dBm功率限幅至13dBm以下，降低限幅电平至后级放大器可靠承受功率范围之内。
图1为限幅电路的原理图，耦合器的耦合度30dB，利用ADS对耦合器耦合度、扼流电感值以及级间1/4波长微带线的长度进行调整与优化，减小插损与驻波。为了达到小型化目的，限幅电路采用介电常数10.2的微波介质板Rogers6010LM，厚度为0.635mm，二极管选用裸芯片，通过导电胶粘结在腔体底面，加强散热能力，降低二极管结温；同时也缩小安装体积，减少寄生参量，降低小信号损耗。
图1 限幅电路原理图
2、宽带低噪声放大器设计
主要设计指标：频率1-3GHz，增益≥29dB，平坦度≤±0.6dB，噪声系数NF≤0.9dB，输入输出驻波比VSWR≤1.5。
2.1电路设计方案分析
低噪声放大器的设计主要考虑放大器的噪声、增益、输入输出驻波比以及平坦度等参数。设计时应首先选择合适的器件，
本次设计中采用的是管芯为FHX45X型Super-HEMT。虽然器件数据手册上推荐频率范围为2-18GHz，但从其S参数看出器件频率可以用于低至100MHz（手册上噪声参数是从2GHz开始的，但之前的实验表明2GHz之前的噪声系数与仿真结果差别不大）。该管芯在12GHz时噪声为0.55dB，增益为12dB。
由于采用了耗尽型器件，栅源偏置电压需要为负值。文中采用栅极直流接地、源极电阻提供偏压的结构实现。图2为放大器的偏置电路，其中供电电源为+5V，通过电阻降压得到2V的漏源电压，源极偏压由源极电阻提供，这样不用单独提供栅压。FHX45X型SuperHEMT的静态工作点置于Vgs=-0.4V，Vds=2V，Ids=15mA。
图2偏置电路原理图
级联低噪声放大器噪声系数NF计算公式如下：
式中NF表示各级放大链路的噪声系数，G表示各级的增益。由上式可知级联放大器的噪声系数主要由第一级放大器决定。因此，设计的两级级联放大器中第一级采用基于最小噪声的设计，同时引入负反馈，以提高工作带宽，改善输入驻波，增强电路稳定性。级间匹配电路采用电感电阻串联接地结构，以降低频带低端部分的增益，进一步改善放大器的增益平坦度，提高放大器的稳定性。第二级放大电路通过优化输出匹配电路提高放大器功率增益和改善放大器1dB压缩点。 在设计第一级电路时将2个FHX45X并联，接法如图3所示，这样增加了管芯的栅宽，方便匹配；在输入端用微带线与电容完成最小噪声匹配，这是因为在1-3GHz集总器件的寄生参数会对电路性能有较大影响，而全部采用分布参数设计，由于频段较低会使得电路尺寸较大。综合以上考虑，文中采用集总参数与分布参数混合匹配的设计。
图3 管芯并联示意图
宽带低噪声放大器的原理框图如图4所示。利用ADS电路仿真软件通过仿真分析确定图4所示原理图各元件值。
圖4低噪放原理图
2.2低噪放电路仿真与优化
通过ADS仿真软件完成低噪放电路的优化设计，使用S参数模型对器件进行仿真，介质板采用Rogers5880，厚度为0.254mm。
仿真结果如图5所示，在频带1-3GHz内，功率增益为29.8dB，增益平坦度为±0.4dB，输入输出驻波比VSWR小于1.4，噪声系数NF小于0.9dB，仿真指标满足设计要求且留有一定余量。
图5 放大器的仿真曲线：（a）S参数曲线；（b）噪声系数曲线
三、电路测试与结果分析
根据优化结果利用Auto CAD画出微波版图与安装图，设计过程中应注意接地，可以在电路板上通过金属化通孔与腔体相连实现良好的接地。电路各单元完成设计后，采用混合电路形式制作生产。电路中有源、无源元器件通过焊料烧结与导电胶粘接等工艺步骤实现组装，各个元器件之间通过金丝键合互联。
使用矢量网络分析仪PNA N5222A测量了产品的S参数，实测结果如图6（a）所示，从图中可以看出：在1-3GHz频段内，放大器的增益大于29dB，带内平坦度优于±0.6dB，输入输出驻波比小于1.5。与仿真结果相比，实测曲线中心频点有所偏移，这主要是由于低噪放部分元器件采用金丝键合互联，金丝的长短、弯曲程度无法精确控制，因而电感量也无法精确控制。
使用噪声仪N8975A对产品噪声进行测试，实测结果如图6（b）所示，从图中可以看出在1-3GHz频段内限幅放大器的噪声系数优于1.4dB。测量以上数据时限幅低噪放工作电压为+5V，工作电流为40mA。
图6放大器的测试曲线：（a）S参数曲线；（b）噪声系数曲线
最后运用L波段占空比为10%的脉冲发射机输入100W的信号测试30min之后限幅低噪放仍能正常工作，具有良好的抗烧毁能力。
最终的实际测量结果和仿真结果稍有差异，主要是由于低噪放部分元器件采用金丝键合互联，金丝的长短、弯曲程度无法精确控制，因而电感量也无法精确控制。同时最终电路加上了前一级的限幅电路，这也会影响驻波与增益。此外，最终产品密封安装在盒体中，测试时接上了SMA接头，接头与盒体的影响不可忽略。
结束语
低噪声放大器是雷达接收前端的重要组成部分，从天线进入接收机的微弱信号由低噪声放大器进行放大，其性能是决定接收系统灵敏度和动态范围的关键。但低噪声放大器承受功率有限，因此使用时往往在其前级级联限幅器。由于成本与体积的要求，限幅器和低噪放多采用一体化设计。目前，具有更高功率容量和增益、更低噪声系数以及更小体积的限幅放大器成为国内外微波电路领域重要的研究方向。
参考文献：
[1]戴剑，要志宏，赵瑞华，宋学峰，刘帅.宽带低噪声放大器单片微波集成电路[J].半导体技术，2014，04：259-263.
[2]聂星河，郁健，程冰，於晓峰.宽带限幅低噪声放大器设计[J].固体电子学研究与进展，2014，05：445-449.
[3]邵翔鹏，张万荣，丁春宝，张卿远，高栋，周孟龙，鲁东，霍文娟.低功耗宽带CMOS低噪声放大器[J].电子器件，2014，05：908-911.
[4]易礼智，龚亮.低功耗高线性度超宽带低噪声放大器的设计[J].吉首大学学报（自然科学版），2014，06：59-63.