引言

　　寬頻帶低噪聲放大器（Broadband Low Noise Amplitier，BBLNA）是通信、測(cè)控等接收系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的噪聲系數(shù)、增益及頻響特性等指標(biāo)直接影響著接收系統(tǒng)的主要性能。因此在寬頻帶接收系統(tǒng)領(lǐng)域，寬頻帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)將具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。各種低噪聲器件的功率增益都是隨著頻率的升高而降低，以每倍頻程大約3~5 dB規(guī)律下降。為獲得較寬又較平坦的頻響特性，就必須對(duì)增益滾降進(jìn)行補(bǔ)償?？墒怯幸饨档偷皖l段的增益必然使輸入、輸出駐波比變壞，同時(shí)噪聲系數(shù)也將變大。但是對(duì)于寬頻帶低噪聲放大器來說，一般不可能使用隔離器來改善駐波比。另外，低噪聲器件的輸入、輸出阻抗也隨頻率有較大變化，更增加了匹配電路的復(fù)雜性。盡管寬頻帶低噪聲放大器的電路結(jié)構(gòu)有多種形式，但采用Lange耦合器設(shè)計(jì)的平衡式放大器有噪聲方面的優(yōu)點(diǎn)，其噪聲系數(shù)與單端低噪聲放大器差不多，而在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，可以完全按照最佳噪聲匹配設(shè)計(jì)，不必兼顧輸入、輸出駐波比。因此選擇平衡式電路結(jié)構(gòu)來進(jìn)行寬頻帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。

　　1 設(shè)計(jì)原理

　　平衡式寬頻帶低噪聲放大器由兩只低噪聲器件和兩個(gè)Lange耦合器組成，其中兩支低噪聲器件及其匹配電路網(wǎng)絡(luò)完全一致，減小了匹配電路計(jì)算的復(fù)雜性，輸入、輸出駐波比好，噪聲小，工作頻帶可達(dá)1~2倍頻程。

　　2 Lange耦合器

　　Lange耦合器又稱90°三分貝電橋，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在寬頻帶和緊耦合特性上比其他耦合器有非常突出的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)思路是利用幾條耦合線彼此平行，使得線的兩邊都產(chǎn)生耦合從而實(shí)現(xiàn)緊耦合，并通過補(bǔ)償相速達(dá)到改善帶寬。常用的微波電路仿真軟件幾乎都建有典型模型，以便于輔助設(shè)計(jì)。

　　3 設(shè)計(jì)原理

　　平衡式寬頻帶低噪聲放大器原理圖見圖2，若輸入射頻信號(hào)fin的功率和相位分別為P和0°，經(jīng)Lange耦合器等分為P1，P2兩部分。P1相位為 -90°，P2相位為-180°，分別由兩只經(jīng)過配對(duì)的低噪聲器件放大。由于匹配電路一致，增益G相同，傳輸相移皆改變180°，放大后的兩路信號(hào)分別為 GP1，GP2，GP1相位為-270°，GP2相位為0°。兩路信號(hào)再經(jīng)耦合器合成后，在B4端口GP1，GP2大小相等，相位相差180°，沒有功率輸出；在B1端口GP1，GP2相位相同，兩部分功率疊加輸出fout，其大小為GP1+GP2=G（P1+P2）=GP.即在理想狀態(tài)下，平衡式寬頻帶低噪聲放大器的增益等于單只低噪聲器件的增益。

　　采用平衡式電路結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）由于每只低噪聲器件只承擔(dān)一半功率放大，則放大器輸出功率1 dB壓縮點(diǎn)將增大3 dB，相應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍也增大3 dB，三階交調(diào)約改善6 dB.

　　（2）端口駐波比得到很大改善，現(xiàn)假設(shè)V1，V2的反射系數(shù)相等，射頻信號(hào)fin由耦合器A1端口輸入，等分成兩部分由A2，A3端口輸出，A2端口的反射功率再回到A1端口，總路徑相移為-180°；A3端口的反射功率再回到A1端口，總路徑相移為-360°，顯然兩部分反射功率大小相等，相位相反而抵消，因此在A1端口沒有反射功率。另外，V1，V2的反射功率在A4端口相疊加，需要加50 Ω匹配負(fù)載RL進(jìn)行吸收。通過耦合器的移相作用，理想情況下端口駐波比恒為1.

　?。?）提高了放大器工作的穩(wěn)定性，放大器穩(wěn)定性的判定條件如下：

　　式中：△=S11S22-S12S21，K為穩(wěn)定因子。當(dāng)同時(shí)滿足上面三個(gè)條件時(shí)，放大器絕對(duì)穩(wěn)定?？梢宰C明平衡式放大器的穩(wěn)定性判別系數(shù)K恒大于1. 在圖2中，A1端口和B1端口理論上是無反射的，不存在由于信號(hào)源或者負(fù)載的反射可能造成的自激振蕩。盡管單只低噪聲器件本身在低頻段存在潛在不穩(wěn)定性，然而只要匹配電路設(shè)計(jì)良好，A1端口和B1端口之間就是絕對(duì)穩(wěn)定的。這個(gè)特性在寬頻帶接收系統(tǒng)中很重要，特別在天線與放大器匹配時(shí)，效果將更加明顯。

　?。?）平衡放大器最低噪聲系數(shù)和單端放大器基本相同，但在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，可以完全按照最佳噪聲匹配設(shè)計(jì)，以獲得理想最小噪聲匹配，不必兼顧駐波比。

　　在窄頻帶低噪聲放大器中，直流偏壓供電引入線的常用結(jié)構(gòu)是λg/4高阻抗微帶線，其終端采用扇形線或電容對(duì)高頻短路，這種結(jié)構(gòu)可用的工作頻帶最高不過 40%~50%帶寬。因此在寬頻帶低噪聲放大器電路中，不可能再用這種形式的偏壓引入線，可采用微帶線中心跳線型式的偏壓引入線，即把跳線焊接在微帶中心軸線上，在理想狀態(tài)下微帶線中心正上方空間處沒有電場(chǎng)分布。跳線外端焊點(diǎn)對(duì)微帶邊沿的距離至少要大于基片厚度，以保證焊接點(diǎn)在電場(chǎng)之外。由于跳線直徑對(duì)電感量影響較弱，長(zhǎng)度對(duì)電感量影響較大，需準(zhǔn)確控制。跳線可適當(dāng)離開基片表面，以減小地板對(duì)電感量的影響。另外還需考慮電源的低頻濾波和級(jí)間低頻去耦電容，去耦和旁路電路要足夠大，以免出現(xiàn)低頻振蕩。微帶電路中的隔直電容盡量采用高Q值、高穩(wěn)定溫度系數(shù)、無諧振及低損耗的寬頻帶表貼電容，如美國(guó)DLI公司 C06系列產(chǎn)品。屏蔽盒體橫向?qū)挾葢?yīng)小于最高工作頻率的半波長(zhǎng)，以避免盒體內(nèi)部空間產(chǎn)生波導(dǎo)傳輸效應(yīng)。微帶基片應(yīng)保持良好接地，固定螺釘?shù)臄?shù)量要相對(duì)多一點(diǎn)，最好螺釘孔的孔壁金屬化接地。調(diào)試時(shí)在盒體的上蓋板內(nèi)表面貼敷相應(yīng)頻段吸波材料，以減小空間耦合所引起的帶內(nèi)增益起伏。

　　寬頻帶低噪聲放大器還需要進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，首先對(duì)進(jìn)入屏蔽盒的電源線使用帶饋通濾波器的穿芯電容進(jìn)行濾波，減小通過電源線所帶來的串?dāng)_問題；其次需要解決好放大器的端口匹配，確保集成到接收系統(tǒng)時(shí)能兼容工作；最后還需對(duì)盒體采取電磁屏蔽措施，減小因電磁輻射所帶來的干擾問題。在研發(fā)階段加強(qiáng)電磁兼容工作，有利于產(chǎn)品通過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容測(cè)試。