摘要:本文介绍了一种具有高输出信噪比和温度补偿功能的高增益宽带限幅放大器的设计方法。该放大器由多片PHEMT工艺制作的单片集成电路构成,其主要特点是可在6～18GHz频率范围内、满足高输出信噪比的要求下实现对-60～-7dBm输入信号的限幅功能,并在-40～70℃的温度范围内提供稳定的增益输出,输出功率为13～17dBm,噪声系数小于4dB。
关键词:限幅放大器 高增益 宽带 温度补偿
中图分类号:文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00
A 6～18GHz High-Gain Wideband Limiting Amplifier
Geng Jingwen
(No.55 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing, Jiangsu, 210016)
Abstract: The design and analysis of a high-gain 6~18GHz wideband limiting amplifier is presented in this paper. The amplifier is composed of several MMICs produced by PHEMT technique, whose main character includes the automatic compensation for temperature effect and the high output SNR. The measured performances are given to demonstrate that the product can operate on input signals ranging from -60dBm to -7dBm and provide steady output gain from -40°C to 70°C, while the output power ranges from 13dBm to 17dBm and the achieved noise figure is less than 4dB.
Key Words: limiting amplifier high-gain wideband temperature compensation
1 引言
宽带微波限幅放大器在现代雷达、电子战及检测仪器等系统中都有广泛应用,它可以使接收机在瞬时带宽、灵敏度和动态范围几方面得到有效扩展,是测频、测向和测距系统中的重要部件。
实现限幅放大器通常有三种方案[1]:第一种是采用无源PIN二极管或肖特基二极管限幅器和线性放大器级联。这种方案无法提供较强的限幅功能;第二种方案是采用隧道二极管、双极晶体管或金属-半导体场效应晶体管放大器,把它们激励到饱和状态提供限幅功能;第三种方案是采用双栅极金属-半导体场效应晶体管,通过控制栅压使放大器保持线性范围。本文介绍的限幅放大器采用了第二种设计方法,目的是把幅值电平不同的输入信号转换成幅值电平恒定或近似恒定的输出信号。
由于该放大器工作频带较宽(6～18GHz),输入信号动态范围较大(-60～-7dBm),而要求输出的信号范围在13～17dBm,因此,放大器必须具有足够大的线性增益,使小信号响应能够达到系统要求,同时对输入的大信号要保证输出响应不失真。这是该放大器的二个设计重点。文中放大器由多级放大单元级联构成,通过对放大器的栅极电压进行补偿减小增益随温度的变化。设计要求其在整个工作频带上,满足-40～70℃的温度范围内75dB左右的功率增益,且噪声系数小于4dB。
2 限幅放大器设计原理
2.1 放大器的灵敏度
限幅放大器的动态范围是指由放大器灵敏度决定的动态范围下限和由放大器不产生虚假响应的动态范围上限。根据放大器的灵敏度公式[2]:
Pmin=-174+NF(dB)+10lgB(Hz)+(SNR)o(1)
其中,NF为放大器的噪声系数,B为系统带宽,(SNR)o为系统的输出信噪比。可见基底噪声与所要求的输出信噪比共同决定了输入灵敏度。系统的基底噪声越大或要求的输出信噪比越高,系统的灵敏度越低。
2.2 增益和带宽
放大器需采用多级级联,但在6~18GHz的带宽上,单一的多级放大单元级联形成的系统频响很差,会导致增益较高的频点迅速饱和而增益较低的频点增益更低[3]。因此,提高工作频带内的线性增益平坦度对整个放大器的性能十分关键。
解决此问题的方法有三种:第一,采用增益具有正斜率特性的单片来弥补增益负斜率特性的单片。该方法简单,但器件的可选范围窄,不易于实现;第二,采用环路控制法。利用其他器件的负斜率特性产生具有该特点的控制信号控制电调衰减器,使其对低频衰减大高频衰减小,从而平衡单片的增益起伏。采用这种方案的优点是系统的总体增益可实现自动增益控制,缺点是电路结构复杂,环路响应有一定延迟;第三,采用均衡器。该方法在引入元器件较少的情况下可以很大程度改善电路的频率响应,同时用该方法实现的电路具有可计算性强、尺寸小、调试简单、成本较低的优点。考虑到整体情况,采用了第三种方法。
图1为运用网络综合法设计的一阶均衡器原型电路[4]。令Z1=R02/Z2,则1-1°段输入阻抗 ,而网络特性阻抗Zc=R0是一个与频率无关的纯阻抗,则此网络的衰减特性为:
式(3)表明,此电路特性与电阻R0及特性阻抗Z有关,R0为常量,所以L-f特性取决于Z1特性,只要适当选择Z1的电路形式,就能得到希望的衰减特性。图2为引入均衡器前后的放大器频率响应曲线对比。可见,均衡器的引入可以大大展宽放大器的带宽。
2.3 温度补偿
在没有温度补偿情况下,单级放大器在栅极电压Vgs=0时的典型增益变化为-0.023dB/℃。在-40～70℃的温度范围上无温度补偿的放大器增益变化量接近12dB,这是不能接受的。这里采用了可变偏置法用于温度补偿[5]。由于放大器的第一级和最后一级对放大器的噪声性能及饱和输出功率影响较大,因此温度补偿在中间级进行。温度补偿电路的原理图如图3所示。
增益控制电路是由正温度系数的热敏电阻R和若干可调电阻构成,它们提供一个准线性的与温度有关的Vgs。在进行了性能反复测试后,针对不同环境条件确定的R值见表1。
2.4 电路拓扑结构
经过反复试验后确定限幅放大器的整体结构见图4,其中A1、A2、A3、A4为放大单元,AGC网络为温度补偿电路。整体电路在温度补偿前常温增益为92dB,在温度补偿后线性增益降为85dB。
3 研制过程与测试结果
整个放大器制作在低介电常数介质板上,采用梯度焊接。放大器使用标量网络分析仪和噪声仪对放大器的噪声特性和限幅特性进行了测量。曲线如图5所示。表2给出了其技术参数与设计值的比较。可见,相关性能满足设计指标的要求。
4 结语
本文研究的6～18GHz宽带限幅放大器具有较好的噪声性能和饱和输出特性,采用单片独立化安装结构,方便独立测试和维修,一致性好、稳定可靠,电性能优良。今后需进一步优化结构,减小体积和重量,以适应更多实际应用的需求。
参考文献
[1]I.J.巴尔. 用于电子战系统的单片限幅放大器[J].雷达与对抗.1989年.第1期:66～73.
[2]Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko. 射频电路设计[M].北京:电子工业出版社.2002年.85～91.
[3]陈邦媛.射频通信电路[M].北京:科学出版社. 2002年. 62～81.
[4]李畅游,卢中华.幅相一致增益均衡器[A].全国微波毫米波会议论文集.上海:2003年. 565～567.
[5]D.ARIEL, T.Thibout, J.L.Lacombe.有温度补偿的1～18GHz高增益超宽带放大器[J].电子对抗技术,1989年10月.第5期.36～45.
作者简介:耿静文:1977年生,女,大学本科,汉族,山西太原人,工程师,主要从事微波功率器件的研制和生产工作
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