高性能寬帶低噪聲放大器的研制

摘要：以薄膜混合集成電路為基礎，采用AL2O3精細陶瓷做襯底和國際上較先進的共晶工藝，運用寬帶內補償網絡和負反饋并用的設計方法，結合理論計算和仿真技術，實現了高指標C波段寬帶低噪聲放大器的設計，測試結果驗證了設計的正確性，為高性能寬帶低噪聲放大器研制提供了新的設計依據和理論基礎。
關鍵詞：寬帶；低噪聲；放大器；薄膜混合集成電路；共晶工藝

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。