宽带高增益低噪声放大器

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1、低温与超导 第35卷 第3期其 它 OthersCryo. 对极鳍线;波导Broadband high ga in and low noise amplifierZhang Yingchun(China Electronics Technology Group Corporation No. 16th Research Institute, Hefei 230043, China)Abstract: This paper solved the problem of broadbandmillimeter - wave interface circuit design ofwaveguide -

2、 to - microstrip transitionin Ka - band and designed broadband and high gain low noise amplifier in Ka - band byAnsoft HFSS software optimized.Keywords:Millimeter - wave, Coupler in finline,Waveguide1 引言随着无线通信技术的发展,毫米波系统因分辨率 高、 尺寸小,能在恶劣气候条件及现代战争环境下进行 全天候工作等独特的优势越来越引起人们的重视。由 于毫米波在空间受各种大气传播特性的影响,它的传播衰

3、减大,因此,不管是哪种类型的接收机,它收到的 空间毫米波信号一般都是很微弱的。这样在毫米波信 号进行变换成视频信号之前,即在进行混频或检波之 前,为了保证接收机有更高的灵敏度,需要采用低噪声 毫米波放大器,将进入天线之后的毫米波信号进行低噪声放大。本文介绍的宽带高增益低噪声放大器,具 有高增益、 宽频带、 高工作效率、 小体积、 方便调整的特 点,能很好地适应Ka频段小型化的发展要求。2 设计要求工作频率: Ka波段f02. 5GHz,增益 55dB,带内平坦度 1. 5dB,噪声系数 3. 5dB,P- 1dB10dBm;输入接口: BJ320;输出接口: K接头;外形尺寸 13. 813.

4、 860mm3(不包括K型头的尺寸)。3 设计原理为了适应毫米波小型化的发展趋势,低成本、 高可 靠性的毫米波单片集成电路(MM IC)的使用现已日趋 广泛。单片放大器是采用MM I C技术实现的( MM IC 是在半导体基片上集成的微波电路,以半导体为微波传输介质,并在同一半导体上制造电路的全部有源及 无源元件)。与集成电路的特点一样,MM IC具有集成 后性能的不可调节性,这一特点体现了集成电路所具 有的性能稳定可靠,参数一致,可重复制造及低成本。 在毫米波波段,微带线是毫米波集成电路和混合集成电路中一种十分重要的传输形式,而目前许多毫米波 测试系统和器件的接口采用标准矩形波导,这样就需

5、要设计一种矩型波导-微带的过渡。根据设计要求, 此宽带低噪声放大器采取多级单片电路的级联形式。 其主要组成框图如图1所示:信号由波导口输入,经过对极鳍线的波导-微带 的宽带转换电路,再经过三级单片放大器的级联放大 后,由K型接头输出。 在设计毫米波放大器过程中,下列参数需要着重 考虑:波导-微带的宽带过渡段的设计、 器件的选择、噪声指标的实现、 增益及增益平坦度指标的实现、1dB 压缩点指标的实现及如何消除高增益放大器的自激 等。图1 高增益宽带低噪声放大器结构图Fig . 1 Sketch of the broadband high gain and low noise amplifier此

6、高增益宽带低噪声放大器的技术指标的分配:波导-对极鳍线-微带的宽带过渡在整个带内插损小( 20dB、噪声系数 2. 5dB的单片低噪声放大器;第二、 三级单 片放大器选用增益G20dB、 G 0. 5dB的单片低噪声放大器;三级单片放大器的P- 1dB均大于10dBm。3. 1 噪声系数毫米波放大器的主要噪声来源于固态器件本身和 器件电路产生的噪声。对于多级放大器而言,其噪声系数的计算公式为:F=F1+F2- 1Ga1+F3- 1Ga1Ga2+Fn- 1Ga1Ga2Gan- 1(1)其中:Fn为第n级放大器的噪声系数,Gan - 1为n 级放大器的增益。由公式可见,第一级放大器的噪声系数对整个

7、放大器的噪声贡献最大,要获得最小的噪声系数,放大器的输入端总是存在某些失配,牺牲部分 增益和稳定性。增益的损失可通过提高第二级放大器的增益来补偿,此放大器的输入端对噪声的损失主要 在波导-对极鳍线-微带过渡和单片的失配。基于此,下面先介绍波导-对极鳍线-微带的过渡。3. 1. 1 波导-对极鳍线-微带过渡与其它形式过渡的比较 波导-脊波导-微带过渡的结构特点是:通过一段宽带加脊波导,把矩形波导的主模波阻抗变换到微 带特性阻抗,以实现过渡的目的。加脊波导由一组阶梯状的g/4减高波导段组成,以便将波导阻抗降低,将波导窄边高度逐渐变化到微带的金属条带的厚度。 由其结构特点可知实现起来需要准确的机械加

8、工条件,还有加脊波导与微带部分不好衔接,因而重复性、 可靠性均较差。波导至微带线探针过渡是目前应用最为广泛的波 导-微带过渡形式,它可以使电探针与整个微带电路制作在一块集成电路上,其电路尺寸比波导-对极鳍 线-微带过渡要小。其优点为:插入损耗低、 回波损耗小、 频带宽,且结构紧凑、 加工方便、 装卸容易,特别适合于毫米波应用,但其输入输出口均在宽边,并不满足 此放大器的结构要求。 鳍线是毫米波段的一种新型传输线,它具有色散 特性弱、 工作频带宽、 损耗不太大,便于同固体器件相 连接等优点,并可用它构成混频器、 谐振器、 滤波器、 阻抗变换器等微波元器件。它是在介质基片的一面或两 面上制作出所需

9、的导电带,其工艺过程与制作微带线 相同,然后将基片安置在矩形波导的E面。波导为一 般的标准矩形波导。金属壁对其传输特性有很大的影 响。鳍线可分为单鳍线、 双鳍线和正反对极鳍线等,如 图2为正反面对极鳍线波导-微带过渡结构示意图,即将矩形波导的特性阻抗,转换成便于与单片电路输 入输出端的传输微带线匹配的特性阻抗,同时将高阻 抗的波导TE10模,旋转90,变成对极鳍线重叠部分中 的微带传输模式。采用微波印制板技术,做成渐变形 状制作在价廉的软基片上,易于与矩形波导匹配,易于与固体器件组装在一起,易于。实现集成化,结构牢 固,可获得较宽的工作带宽,成为一种普遍应用的过渡 形式。图2 对极鳍线波导-微

10、带过渡结构示意图Fig . 2 Antipodal finline waveguide - to - microstrip transitionstructure3. 1. 2 波导-对极鳍线-微带线过渡电路的设计 对极鳍线渐变电路的设计:常采用沿渐变方向的平滑阻抗变换曲线,以便使由它引入的反射损耗,在 所要求的频带内,低于可允许的极限值,并使渐变段的 尺寸尽可能短。对于渐变的设计有很多经验曲线(如 对指数线渐变、 对抛物线渐变、 对余弦线渐变和余弦平 方渐变曲线等)。本放大器过渡段采用余弦平方线渐变来实现(选择此种渐变形式的原因是:可在允许的 反射系数下获得最短的渐变长度)。 工作带宽电路的

11、设计:由于金属腔的存在,谐振 在这一部分产生,从而影响过渡的性能,谐振频率主要 是由谐振区域的长度X决定的,改变X的长度可以很方便地使谐振频率发生偏移,这样就通过改变X的长072 其 它 Others 第3期度,可以很方便地获得所需要的带宽。此放大器的过渡部分谐振频率点设计在30GHz附近。所用介质基 片为进口Duriod5880,介电常数r=2. 22,基片厚度=0. 254mm。此外,过渡总长以及谐振区内的金属块与 鳍间的距离S,对过渡性能也有较大影响。过渡越长, 反射系数越小。由于受外形尺寸(13. 813. 860mm3)的限制,以上过渡段长度L及X的最佳长度(L = 10mm, X

12、= 4. 5mm)能够满足结构尺寸的要求。图3为背靠背结构的过渡段的仿真结果:中心频率30GHz40GHz,插入损耗 1dB,输入端回波损耗为- 10dB以下。图3 当S = 0. 254mm, X = 4. 5mm时过渡的传输特性曲线Fig . 3 Transmission performance,when S =0. 254mm, X =4. 5mm 上述仿真过程基于以下公式:鳍线的波导波长g和特性阻抗Z0可由下列公式 求得:g=0/g-(0/co)2(2)Z0=Z0/g-(0/co)2(3)gg(fc) 0为自由空间波长(4)g(fc)=(c/co)2(5)图4 上下对称非重叠型鳍线示意

13、图Fig . 4 Sketch of the bilateral symmetry non - overlap finline可见,鳍线的传播常数和特性阻抗仅与 c(鳍线 截止波长)、 c0(加鳍波导的截止波长)和Z0(加鳍波 导在f 时的特性阻抗)三个参数有关。图4为双面鳍线中的上下对称非重叠型鳍线示意图:c=2A + a + (r-1)/2 1 +4d abr r(6)c0=2a1 + 4/(1 + 0. 2b a)b a csc (d/2b) csc(y0/b)1/2(7)A= (1 +r) b/ csc(d /2b) csc(y0/b)(8)ZV I= 1202(b/c0)/b/dsi

14、n( /c0) + B+tg(a-) /2c0cos( /c0) (9)B=2 (b/c0) csc (d /2b)+Qcos4(d /2b) /1 +Qsin4(d /2b)(10)Q= 1 - (b/c0)2- 1/2- 1(11)其中y0/b= 1/2 D= 0.254 a= 7.112 b= 3.556 由以上公式得出Z0=f1(d)即鳍线的特性阻抗Z0 与d之间的函数关系。 又由对余弦平方渐变:Z0=Z2cos2 (z/ l) arcos(Z1/Z2)1/2(12)Z2为d=0时的矩形波导阻抗, Z1为标准微带线 的阻抗50W,因此建立了鳍线的特性阻抗Z0与l之间 的函数关系。 由d

15、、l之间的关系可以描出余弦平方渐变的鳍线 曲线。由阻抗分析得出的TEM渐变段输入反射系数表达式为 = -01 (z) e-2jzdz(13)(z)= -1 2d dzlnZ (z)(14)Z (z)为渐变段任意位置的阻抗;为传播常数。鳍线是一种非TEM传输线,其 也是距离z的函数。 为此,渐变鳍线总反射系数的表达式可以写成= -01 -1 2d dzlnZ (z) e-2j() d ()dz(15)因此总反射系数由阻抗Z (z)和相位常数 ( z)与z的函数关系。对余弦平方渐变,阻抗Z(z)=Z2cos2 (z/ l) arcos(Z1/Z2)1/2 (16)采用对余弦平方渐变的 对极鳍线过渡形式,在Ka波段f02. 5GHz频段内,回波损耗可做到- 10dB以下,最短的渐变长度为10mm。 一对对极鳍线转换的测量方法,是将两个相同过渡 段背靠背制作在一块电路基片上,以便应用标准矩形波 导测量系统,对这种组合件进行总损耗和总反射系数的 测量。单个过渡的插损粗略认为是总插损的一半。图5为背靠背结构的过渡段插入损耗的实验结果:172第3期 其 它 Others 图5 背靠背结构的过渡段插入损耗Fig . 5 Insertion loss of back - to - back transition上述宽带过渡的实验结果能实现宽带高增益低噪 声放大器的5GHz的