超导接收机中低射频低温低噪声放大器的研制
2008-07-07
作者：王国彬，张晓平，魏 斌，曹必松
摘 要： 提出了分别工作于低温和常温下级联" title="级联">级联使用的两级低射频" title="低射频">低射频低温低噪声" title="低噪声">低噪声放大器的设计方案，给出了改善电路条件稳定和便于调谐的具体方法。测试结果表明，此两级低射频低温低噪声放大器" title="低温低噪声放大器">低温低噪声放大器完全满足高性能高温超导接收机的指标要求。
关键词： 高温超导接收机前端 条件稳定 低射频 低温低噪声放大器
性能优良的高温超导接收机（HTS Receiver）可以降低掉话率、接入失败率和误码率,提高基站容量和覆盖范围，具有广阔的市场应用前景[1-2]。其中低温低噪声放大器(CLNA)是高温超导接收机射频前端的重要组成部分，工作于低温下的低噪声放大器具有极低的噪声系数" title="噪声系数">噪声系数和优异的输入输出反射损耗，可以显著增加接收机的灵敏度，降低发射机发射功率。
低温下放大器噪声的降低得到了很多关注, 然而对条件稳定和噪声系数极低的两级单管CLNA却很少有报道，特别是工作于低射频频段的CLNA[3-4]。本文综合考虑了条件稳定、低噪声和低反射损耗、高增益以及超导滤波器的相位匹配等几个重要因素，通过对放大器的调谐，得到了性能非常优良的两级低射频CLNA。
1 HTS Receiver射频前端的解决方案
HTS Receiver主要由超导前向选择带通滤波器和前置CLNA组成，如图1所示。制冷机用于提供所需要的低温条件（70K），电子控制系统提供CLNA所需要的偏置电压和制冷机的控制电路。
为了满足增益的要求，需要采用两级低噪声放大器（LNA1和LNA2），然而由于制冷机的体积和负载功耗有限，笔者选择了让LNA1工作在低温、LNA2工作于常温的方案。由于多级CLNA的噪声系数主要由第一级决定，这样的电路设计方案不会影响系统的噪声系数，同时把LNA1和LNA2分开设计，对于低温的输入反射系数的调谐带来了方便，而且LNA2工作在常温，常温的环境更有利于输出反射系数的调谐。通过这样的方案可以使整体设计难度降低，又不会影响整体的性能指标。
2 条件稳定的CLNA设计原理
2.1 放大器的稳定性
为了满足低噪声的要求，选择了Agilent公司的高电子迁移率晶体管（HEMT）ATF54143作为有源器件。实际在CLNA的设计中，稳定性是要考虑的首要因素，CLNA的其他指标在一个频率范围下满足即可，但是稳定性却要求在全频带上实现。
然而ATF54143在4GHz以下不是绝对稳定的，因此综合使用了源极负反馈法和负载阻性反馈法，如图2所示，从而可以在影响噪声系数很小的情况下改善管子的稳定性。用短微带线来代替小值电感Ls,由于ATF54143的高频端增益在低温下增加显著，而过大源极负反馈引起电路高频K值的降低势必容易引起高频振荡，所以微带线的长度不易过长。电阻R1作为负载阻性稳定元件可以有效改善放大器的稳定性，其值也不易过大，否则会影响电路的增益和噪声系数。
改善前后的电路稳定系数K值如图3所示。K和K′分别表示管子加稳定网络前后的稳定系数。其中K′定义如（1）式，这里Δ′=S′11×S′22-S′12×S′21，S′i j(i,j=1,2)是包含Ls和R1整个网络的S参数。从图3中看出加稳定网络后K′值得到了很大改善，然而在1GHz以下网络K′值仍然很低，为此该电路只能工作在稳定条件下。
2.2 放大器设计原理
图4表示单管放大器的级联网络示意图，Siij(i,j=1,2)，S′i j(i,j=1,2)和Soij(i,j=1,2)分别表示输入匹配网络、有源网络和输出匹配网络的S参数。为了同时满足增益和驻波要求，选择匹配网络为无损网络，此时最佳功率匹配和驻波匹配是等价的，笔者选择了集总参数元件作为无损网络的匹配元件。
从网络关系式(2)～(5)可以看出电路的输入输出反射系数是输入匹配网络、有源网络和输出匹配网络参数的函数，这样可以通过对输入输出网络的优化和调谐得到较好的输入输出反射系数。但是由于没有管子在70K温度下的S参数，只能通过常温设计、低温调谐的办法来实现电路的最佳输入输出匹配。
图5和图6分别描述了LNA1和LNA2的原理图。通常，改善输入驻波的方法是在放大器的输入端加入高通网络进行匹配的。但是在LNA1和LNA2的设计中由于它们工作在稳定条件下，因此设计了由C1、L1和L2构成的T型输入带通网络。这种网络在改善输入驻波的同时，可以滤除进入管子的过高和过低杂散频率，大大提高了放大器的稳定性。然而这种带通网络是以牺牲电路的噪声系数为代价的，因为电感L1直接连接到管子栅极上，其过小的品质因数Q会导致电路的常温噪声系数变大，所以选择高Q值输入回路的电感对获得低噪声是极为重要的[5]。
在低噪声放大器的设计和调试中还需考虑与滤波器的相位匹配以及LNA1与LNA2的级间匹配，从而保证超导滤波器与低噪声放大器连接后组成的超导滤波器系统可以满足反射损耗的指标要求。因此电路设计要考虑到便于调谐放大器的输入输出相位。在LNA1设计中，主要注重低噪声和低的输入反射，选用了输入端电容C1和输出端电容C2、C3作为相位匹配元件，这样可以改善(2)式中的ΓL，进而能够微调(4)式中的Γ1来调整并获得合适的输入反射系数的幅值和相位[6]。同时电感L4、电容C2、C3和电阻R6构成的高通网络可以完成LNA1和LNA2的级间匹配。在LNA2的设计中（参见图6），主要以增益和输出驻波为设计指标，输出端也采用了由C2、L4和R6构成的带通滤波器的结构，这样既能使输出驻波达到最佳匹配，又能抑制后级电路对超导滤波器系统的带外干扰，增强了电路的稳定性。
此外，表1列出了电路所用到的集总元件以及在电路中所起到的作用，其作用相应地也适应于LNA2设计中。要强调的是，R4值要选在50Ω左右才能稳定低频。R5值要选在10kΩ左右，这样既能消除由直流偏置电压微扰对栅极电压带来的影响，又利于R2和R3分压电阻的选取。
3 实验结果和讨论
使用Agilent 网络分析仪8720ES测试了网络的输入输出反射系数。图7给出了两级级联后放大器的S11、S22的仿真和测试结果。LNA1和LNA2工作偏压均在Vdd=5V，放大器工作频带为380M～480MHz，输入输出反射损耗小于－20dB。但是S11仿真和测量结果有比较大的偏差，这是由于低温下管子S参数向高频发生了偏移而引起的，大约100MHz，这也为以后的电路设计提供了方向。
图8是用Agilent噪声分析仪N8973A测试的两级放大器系统的噪声系数。可以看出，常温测试结果比仿真结果大了0.25dB，但是低温测试结果比仿真结果小了0.3dB，达到了0.35dB以下，这是由于低温下管子的热噪声减小的缘故。此外电感L1和L2在低温下的高Q值对噪声的降低也起到了关键性的作用。极低的噪声系数说明了低温环境下的双级放大器具有优异的噪声性能。
此外，对超导滤波器、LNA1和LNA2组成的超导滤波器系统的S参数进行了测试，如图9所示。系统的增益大于32dB，带边抑制大于75dB，带边陡峭度大于25dB/MHz，带内波动小于0.2dB，输入反射损耗小于－15dB，输出反射损耗小于－20dB，说明了采用级联形式的放大器与超导滤波器有很好的相位匹配，没有发生振荡不稳定现象，改善条件稳定的措施在实际应用中是可行的。
本文提出了用于超导接收机射频前端的低温低噪声放大器两级级联的设计方案，在实现低噪声的情况下，减小了制冷机的负载功耗，并且提出了由输入输出网络做匹配的带通滤波器和由直流偏置网络组成的低通滤波器来改善电路条件稳定的具体措施。通过低温下的调谐技术来调谐输入带通滤波网络、级间高通网络和输出带通网络的集总元件参数，既可以保持电路在低温条件下稳定工作，又可以使电路的增益、噪声、输入输出匹配和滤波器相位匹配达到最佳的性能指标。实验结果表明，该方案达到了超导滤波器系统接收机要求的性能指标。
参考文献
[1] WILLEMSEN B A. HTS filter subsystems for wireless telecommunications. IEEE Trans. Appl. Supercond.,2001,1(1):60-67.
[2] KLAUDA M. Superconductors and cryogenics for future communication systems. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2000,48(7).
[3] BRADLEY R F. Cryogenic, low-noise, balanced amplifiers for the 300-1200MHz band using heterostructure fieldeffect transistors. Nuclear Physics B(Proc. Suppl.),1999:137-144.
[4] 高飞, 张晓平, 曹必松,等.CDMA-800MHz频段低温低驻波比放大电路设计.电子学报，2005;33（9）.
[5] GERBER S S. Performance of high-frequency high-flux magnetic cores at cryogenic temperatures. Energy Conversion EngineeringConference, 2004, Intersociety 29-31,(7):249-254.
[6] 严苏娟,张晓平，曹必松，等. 应用于超导接收机前端的相位匹配技术.电子技术应用，2006，32（10）.