卫星通信低噪声放大器设计研究范文

摘要：采用高频电路仿真软件ADS，结合高频电磁仿真软件HFSS，进行联合仿真，设计了一种低噪声放大器，适用于Ku频段卫星通信接收通道。在频率11.45GHz-12.75GHz范围内，噪声系数小于0.80dB，端口输入驻波小于-17.0dB，有一定的实用价值。

关键词：噪声系数；低噪声放大器；卫星通信

在卫星通信系统中，矩形波导有较低的差损特性。在天线溃电网络、接收机等设备中，矩形波导作为三维结构的无源器件，得到广泛使用。有源电路如固态芯片一般是基于二维微带电路设计，在有源电路和无源波导集成的系统中，需要二维结构和三维结构之间的过渡，一般采用波导微带过渡的形式。说到卫星通信，不得不说接收机，它是卫星通信下行链路建立的关键设备，接收机的噪声系数指标和天线的增益指标，直接决定系统的G/T值。而G/T值是衡量卫星通信系统下行链路的关键指标，决定系统接收信号的好坏，决定系统接收质量的好坏。接收机设计的关键就是低噪声放大器的设计，而低噪声放大器设计的关键，就是噪声系数指标和输入驻波特性。低噪声放大器设计，需要根据低噪声管的管芯阻抗特性参数，设计相应的输入匹配以及相应的噪声匹配。设计一种匹配，设计起来比较容易实现，难就难在怎么把输入匹配和噪声匹配都设计好[1]。实现噪声匹配的时候，输入匹配也不差，这是一个矛盾的两个参数，往往把一个指标匹配好了，另一个指标要变差，反之也是如此。所以设计时需要找到一个平衡点，让两者离最佳匹配点尽可能近，两者的指标都可以接受。本文给大家介绍一种适用于卫星通信的Ku扩展频段低噪声放大器，采用波导到同轴再到微带线的形式设计无源过渡部分；采用最佳噪声匹配，同时优化输入匹配，设计有源放大部分。

1低噪声放大器设计

低噪声放大器设计原理图如图1所示。它由两部分组成：一个是无源电路部分——波导同轴微带过渡；另外一个是有源电路部分——低噪声放大。无源电路实现波导三维结构与微带平面二维结构之间的过渡；有源电路实现对高频微弱信号的低噪声放大。在三维高频电磁仿真软件HFSS里，建立了一种波导同轴微带探针过渡的HFSS仿真模型，如图2（a）所示，波导选用WR-75标准波导。该模型在波导的E面中心插入同轴探针，通过调整同轴探针距波导短路面的距离、同轴探针插入的深度、同轴探针的尺寸等参数，优化端口输入驻波。建模时，选用20mil厚度的RO3003作为基板材料，选用聚四氟乙烯作为绝缘子，选用铜作为导体材料。将绝缘子的高度设置为2mm，绝缘子的直径设置为参数fei1，将探针的直径设置为参数fei2，探针的高度设置为参数h1，将波导短路面与探针的距离设置为参数s。在HFSS中，改变各参数值，优化端口输入驻波。优化后的端口输入驻波曲线如图2（b）所示。在频率11.0GHz–14.0GHz的频带范围内，端口输入驻波小于-20.0dB。该模型可以将矩形波导中的TE10模过渡到微带线的准TEM波，性能良好。表1列出了优化后的各参数值。在电路仿真软件ADS中建立低噪声放大器的仿真模型，如图3（a）所示。添加低噪声放大器设计常用的功能控件，如稳定性因子、频率扫描等。该低噪声放大器采用3级低噪放管的结构形式：第一级的输入采用最佳噪声匹配，第一级和第二级间考虑最佳噪声匹配同时兼顾输入匹配，第二级和第三级间考虑最大增益匹配同时兼顾输出匹配，第三极输出匹配考虑最佳输出匹配[2]。在设计输入匹配时，把波导同轴微带转换、输入匹配网络在HFSS中建模，仿真优化结果导成s2p文件[3]，在ADS中建模引用，进行联合仿真。在高频，尤其到Ku频段或Ka频段，必须把影响输入匹配的各种因素考虑进去，包括结构的、空间耦合的等因素。根据以往的设计发现，这样设计仿真的结果和实际的测试结果吻合度较高。在频率11.45GHz–12.75GHz的频带范围内，输入驻波小于-19.8dB，如图3（b）所示；噪声系数小于0.60dB，如图3（c）所示；增益大于34.25dB，如图3（d）所示。从仿真曲线看，该设计能够很好的满足使用要求。根据仿真模型进行结构设计，绘制PCB图。进行结构设计时，考虑腔体的独立性，为了防止信号从一个腔体串扰到另一个腔体，防止自激产生，应该采取如下措施：（1）设计3个小腔，每个腔体里放置一级放大器；腔体之间通过隔直电容连接；腔体盖上贴吸波材料。（2）上下层分腔，电源板置于上层腔体，射频板置（3）腔体的自有频率尽量高，远离有用频率。根据以上仿真模型和PCB、腔体设计的注意事项，制作出了实物，图4给出了Ku扩展频段低噪声放大器的实物图。该实物的外形尺寸是：60mm×38mm×38mm。输入采用标准矩形波导，型号WR75；输出接口采用玻珠烧结，外接2.92-K接头。

2测试分析

利用矢量网络分析仪构建测试环境、测试增益和输入驻波特性。在卫星接收Ku频段内，端口输入驻波小于-17dB，增益大于29.3dB，如图5（a）所示。利用噪声系数分析仪，构建测试环境，测试噪声系数特性。在接收频带内噪声系数小于1.03dB，减去接头损耗0.2dB，真实值小于0.80dB，如图5（b）所示。从实测曲线可以看出，设计的Ku扩展频段低噪声放大器具有带宽大、噪声低、端口输入驻波优的特点。图5（a）矢网实测曲线图5（b）噪声仪实测表

3结束语

本文设计的扩展频段低噪声放大器，适用于Ku频段卫星通信。在卫星接收Ku频段内，端口输入驻波小于-17dB，噪声系数小于0.80dB，实测值和仿真值吻合度较好。该设计频带宽大、噪声低、输入驻波优，在卫星通信地面接收系统中，具有一定的实用价值；该设计可以用于Ku频段卫星通信的接收机、收发信机等产品中，有一定的推广价值；本文介绍的设计方法，对Ka频段的低噪声放大器的设计，有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]张炜，冯全源.一种新型输入匹配结构在低噪声放大器中的应用[J].微电子学，2007（03）：425-427+431.

[2]陈冠.折叠共源共栅低噪声放大器设计[D].成都：西南交通大学，2009.

[3]林富平.X波段六位数字移相器研究[D].成都：电子科技大学，2009.

作者：刘其强 于祥 陶辉华 单位：南京熊猫汉达科技有限公司