??? 摘 要： 提出了分別工作于低溫和常溫下級(jí)聯(lián)" title="級(jí)聯(lián)">級(jí)聯(lián)使用的兩級(jí)低射頻" title="低射頻">低射頻低溫低噪聲" title="低噪聲">低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方案，給出了改善電路條件穩(wěn)定和便于調(diào)諧的具體方法。測(cè)試結(jié)果表明，此兩級(jí)低射頻低溫低噪聲放大器" title="低溫低噪聲放大器">低溫低噪聲放大器完全滿足高性能高溫超導(dǎo)接收機(jī)的指標(biāo)要求。
??? 關(guān)鍵詞： 高溫超導(dǎo)接收機(jī)前端? 條件穩(wěn)定? 低射頻? 低溫低噪聲放大器
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??? 性能優(yōu)良的高溫超導(dǎo)接收機(jī)（HTS Receiver）可以降低掉話率、接入失敗率和誤碼率,提高基站容量和覆蓋范圍，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景[1-2]。其中低溫低噪聲放大器(CLNA)是高溫超導(dǎo)接收機(jī)射頻前端的重要組成部分，工作于低溫下的低噪聲放大器具有極低的噪聲系數(shù)" title="噪聲系數(shù)">噪聲系數(shù)和優(yōu)異的輸入輸出反射損耗，可以顯著增加接收機(jī)的靈敏度，降低發(fā)射機(jī)發(fā)射功率。
??? 低溫下放大器噪聲的降低得到了很多關(guān)注, 然而對(duì)條件穩(wěn)定和噪聲系數(shù)極低的兩級(jí)單管CLNA卻很少有報(bào)道，特別是工作于低射頻頻段的CLNA[3-4]。本文綜合考慮了條件穩(wěn)定、低噪聲和低反射損耗、高增益以及超導(dǎo)濾波器的相位匹配等幾個(gè)重要因素，通過(guò)對(duì)放大器的調(diào)諧，得到了性能非常優(yōu)良的兩級(jí)低射頻CLNA。
1 HTS Receiver射頻前端的解決方案
??? HTS Receiver主要由超導(dǎo)前向選擇帶通濾波器和前置CLNA組成，如圖1所示。制冷機(jī)用于提供所需要的低溫條件（70K），電子控制系統(tǒng)提供CLNA所需要的偏置電壓和制冷機(jī)的控制電路。
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??? 為了滿足增益的要求，需要采用兩級(jí)低噪聲放大器（LNA1和LNA2），然而由于制冷機(jī)的體積和負(fù)載功耗有限，筆者選擇了讓LNA1工作在低溫、LNA2工作于常溫的方案。由于多級(jí)CLNA的噪聲系數(shù)主要由第一級(jí)決定，這樣的電路設(shè)計(jì)方案不會(huì)影響系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，同時(shí)把LNA1和LNA2分開設(shè)計(jì)，對(duì)于低溫的輸入反射系數(shù)的調(diào)諧帶來(lái)了方便，而且LNA2工作在常溫，常溫的環(huán)境更有利于輸出反射系數(shù)的調(diào)諧。通過(guò)這樣的方案可以使整體設(shè)計(jì)難度降低，又不會(huì)影響整體的性能指標(biāo)。
2 條件穩(wěn)定的CLNA設(shè)計(jì)原理
2.1 放大器的穩(wěn)定性
??? 為了滿足低噪聲的要求，選擇了Agilent公司的高電子遷移率晶體管（HEMT）ATF54143作為有源器件。實(shí)際在CLNA的設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定性是要考慮的首要因素，CLNA的其他指標(biāo)在一個(gè)頻率范圍下滿足即可，但是穩(wěn)定性卻要求在全頻帶上實(shí)現(xiàn)。
??? 然而ATF54143在4GHz以下不是絕對(duì)穩(wěn)定的，因此綜合使用了源極負(fù)反饋法和負(fù)載阻性反饋法，如圖2所示，從而可以在影響噪聲系數(shù)很小的情況下改善管子的穩(wěn)定性。用短微帶線來(lái)代替小值電感Ls,由于ATF54143的高頻端增益在低溫下增加顯著，而過(guò)大源極負(fù)反饋引起電路高頻K值的降低勢(shì)必容易引起高頻振蕩，所以微帶線的長(zhǎng)度不易過(guò)長(zhǎng)。電阻R1作為負(fù)載阻性穩(wěn)定元件可以有效改善放大器的穩(wěn)定性，其值也不易過(guò)大，否則會(huì)影響電路的增益和噪聲系數(shù)。
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??? 改善前后的電路穩(wěn)定系數(shù)K值如圖3所示。K和K′分別表示管子加穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)前后的穩(wěn)定系數(shù)。其中K′定義如（1）式，這里Δ′=S′11×S′22-S′12×S′21，S′i j(i,j=1,2)是包含Ls和R1整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。從圖3中看出加穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)后K′值得到了很大改善，然而在1GHz以下網(wǎng)絡(luò)K′值仍然很低，為此該電路只能工作在穩(wěn)定條件下。
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2.2 放大器設(shè)計(jì)原理
??? 圖4表示單管放大器的級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)示意圖，Siij(i,j=1,2)，S′i j(i,j=1,2)和Soij(i,j=1,2)分別表示輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、有源網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。為了同時(shí)滿足增益和駐波要求，選擇匹配網(wǎng)絡(luò)為無(wú)損網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)最佳功率匹配和駐波匹配是等價(jià)的，筆者選擇了集總參數(shù)元件作為無(wú)損網(wǎng)絡(luò)的匹配元件。
??? 從網(wǎng)絡(luò)關(guān)系式(2)～(5)可以看出電路的輸入輸出反射系數(shù)是輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、有源網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的函數(shù)，這樣可以通過(guò)對(duì)輸入輸出網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和調(diào)諧得到較好的輸入輸出反射系數(shù)。但是由于沒(méi)有管子在70K溫度下的S參數(shù)，只能通過(guò)常溫設(shè)計(jì)、低溫調(diào)諧的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的最佳輸入輸出匹配。
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??? 圖5和圖6分別描述了LNA1和LNA2的原理圖。通常，改善輸入駐波的方法是在放大器的輸入端加入高通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配的。但是在LNA1和LNA2的設(shè)計(jì)中由于它們工作在穩(wěn)定條件下，因此設(shè)計(jì)了由C1、L1和L2構(gòu)成的T型輸入帶通網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)在改善輸入駐波的同時(shí)，可以濾除進(jìn)入管子的過(guò)高和過(guò)低雜散頻率，大大提高了放大器的穩(wěn)定性。然而這種帶通網(wǎng)絡(luò)是以犧牲電路的噪聲系數(shù)為代價(jià)的，因?yàn)殡姼蠰1直接連接到管子?xùn)艠O上，其過(guò)小的品質(zhì)因數(shù)Q會(huì)導(dǎo)致電路的常溫噪聲系數(shù)變大，所以選擇高Q值輸入回路的電感對(duì)獲得低噪聲是極為重要的[5]。
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??? 在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)和調(diào)試中還需考慮與濾波器的相位匹配以及LNA1與LNA2的級(jí)間匹配，從而保證超導(dǎo)濾波器與低噪聲放大器連接后組成的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)可以滿足反射損耗的指標(biāo)要求。因此電路設(shè)計(jì)要考慮到便于調(diào)諧放大器的輸入輸出相位。在LNA1設(shè)計(jì)中，主要注重低噪聲和低的輸入反射，選用了輸入端電容C1和輸出端電容C2、C3作為相位匹配元件，這樣可以改善(2)式中的ΓL，進(jìn)而能夠微調(diào)(4)式中的Γ1來(lái)調(diào)整并獲得合適的輸入反射系數(shù)的幅值和相位[6]。同時(shí)電感L4、電容C2、C3和電阻R6構(gòu)成的高通網(wǎng)絡(luò)可以完成LNA1和LNA2的級(jí)間匹配。在LNA2的設(shè)計(jì)中（參見圖6），主要以增益和輸出駐波為設(shè)計(jì)指標(biāo)，輸出端也采用了由C2、L4和R6構(gòu)成的帶通濾波器的結(jié)構(gòu)，這樣既能使輸出駐波達(dá)到最佳匹配，又能抑制后級(jí)電路對(duì)超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)的帶外干擾，增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性。
??? 此外，表1列出了電路所用到的集總元件以及在電路中所起到的作用，其作用相應(yīng)地也適應(yīng)于LNA2設(shè)計(jì)中。要強(qiáng)調(diào)的是，R4值要選在50Ω左右才能穩(wěn)定低頻。R5值要選在10kΩ左右，這樣既能消除由直流偏置電壓微擾對(duì)柵極電壓帶來(lái)的影響，又利于R2和R3分壓電阻的選取。
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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
??? 使用Agilent 網(wǎng)絡(luò)分析儀8720ES測(cè)試了網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出反射系數(shù)。圖7給出了兩級(jí)級(jí)聯(lián)后放大器的S11、S22的仿真和測(cè)試結(jié)果。LNA1和LNA2工作偏壓均在Vdd=5V，放大器工作頻帶為380M～480MHz，輸入輸出反射損耗小于－20dB。但是S11仿真和測(cè)量結(jié)果有比較大的偏差，這是由于低溫下管子S參數(shù)向高頻發(fā)生了偏移而引起的，大約100MHz，這也為以后的電路設(shè)計(jì)提供了方向。
??? 圖8是用Agilent噪聲分析儀N8973A測(cè)試的兩級(jí)放大器系統(tǒng)的噪聲系數(shù)?？梢钥闯觯販y(cè)試結(jié)果比仿真結(jié)果大了0.25dB，但是低溫測(cè)試結(jié)果比仿真結(jié)果小了0.3dB，達(dá)到了0.35dB以下，這是由于低溫下管子的熱噪聲減小的緣故。此外電感L1和L2在低溫下的高Q值對(duì)噪聲的降低也起到了關(guān)鍵性的作用。極低的噪聲系數(shù)說(shuō)明了低溫環(huán)境下的雙級(jí)放大器具有優(yōu)異的噪聲性能。
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??? 此外，對(duì)超導(dǎo)濾波器、LNA1和LNA2組成的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)的S參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，如圖9所示。系統(tǒng)的增益大于32dB，帶邊抑制大于75dB，帶邊陡峭度大于25dB/MHz，帶內(nèi)波動(dòng)小于0.2dB，輸入反射損耗小于－15dB，輸出反射損耗小于－20dB，說(shuō)明了采用級(jí)聯(lián)形式的放大器與超導(dǎo)濾波器有很好的相位匹配，沒(méi)有發(fā)生振蕩不穩(wěn)定現(xiàn)象，改善條件穩(wěn)定的措施在實(shí)際應(yīng)用中是可行的。
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??? 本文提出了用于超導(dǎo)接收機(jī)射頻前端的低溫低噪聲放大器兩級(jí)級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)方案，在實(shí)現(xiàn)低噪聲的情況下，減小了制冷機(jī)的負(fù)載功耗，并且提出了由輸入輸出網(wǎng)絡(luò)做匹配的帶通濾波器和由直流偏置網(wǎng)絡(luò)組成的低通濾波器來(lái)改善電路條件穩(wěn)定的具體措施。通過(guò)低溫下的調(diào)諧技術(shù)來(lái)調(diào)諧輸入帶通濾波網(wǎng)絡(luò)、級(jí)間高通網(wǎng)絡(luò)和輸出帶通網(wǎng)絡(luò)的集總元件參數(shù)，既可以保持電路在低溫條件下穩(wěn)定工作，又可以使電路的增益、噪聲、輸入輸出匹配和濾波器相位匹配達(dá)到最佳的性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案達(dá)到了超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)接收機(jī)要求的性能指標(biāo)。
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