l波段致冷低噪声放大器

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1、维普资讯http://www.cqvip.com中国科学院上海天文台年刊2004年第25期ANNALSOFSHANGHAIOBSERVATORYACADEMIASINICANo．25，2004L波段致冷低噪声放大器李斌梁世光(中国科学院上海天文台，上海200030)提要介绍了应用于射电天文望远镜L波段接收机系统的致冷低噪声放大器的设计。该放大器采用了Agilent公司ATF一35143假晶高电子迁移率场效应管(pHEMT)．为两级级联结构，频率范围1600～1740MHz。在物理温度小于15K(Kelvin)的环境中，放大器工作正常，两级直流偏置点都在2V

2、7mA，增益28．7—28．9dB，噪声3．2—3．8K，输入匹配好于一22dB，输出匹配好于一16dB，无条件稳定。主题词：低噪声放大器一pHEMT—ADS分类号：TN722．31引言射电天文望远镜的接收机系统要求有低的系统噪声，而前置放大器对于系统噪声的贡献是最大的，因此接收机的前置放大器一般采用致冷低噪声结构。将低噪声放大器放置于封闭的低温室中，通过真空泵抽真空使低温室内部达到较高的真空度，然后通过压缩机制冷，使低噪声放大器工作在物理温度15K以下，从而达到降低噪声的目的。致冷低噪声放大器设计首要解决的问题是噪声匹配和功率匹配的关系，同时还要兼顾器件

3、的增益和稳定性。低温状态下低噪声放大器的噪声特性测量也是一个关键问题。在设计中采用了Agilent公司型号为ATF一35143的pHEMT放大管，这一型号放大管广泛应用于商用通信领域。本设计采用了两级级联结构，保证了增益要求。低温下实测结果为：频率范围1600～1740MHz；增益28．7～28．9dB；噪声3．2～3．8K；输入匹配好于一22dB；输出匹配好于一16dB；无条件稳定。2噪声理论对于一个二端口网络来说，它的噪声温度可以表示为：收稿日期：2004-02—16；修回日期：2004-04．27维普资讯http://www.cqvip.com第25

4、期L波段致冷低噪声放大器129：+×[(R一R【Jp1)+(X一X0p1)】(1)⋯可以看出噪声温度是由两部分决定的，一部分是最小噪声温度T⋯；另一部分是由最佳源阻抗尺+j、源阻抗尺+j及噪声电导g共同影响的匹配电路决定的。首先分析一下最小噪声温度⋯对器件噪声温度的贡献。一一⋯√+在(2)式中，尺和尺是寄生电阻，g是跨导，和是噪声系数，t=T／290，T是器件的物理温度。在制冷状态下，当Ta<15K时t<0．07，所以第二项／g对于最小噪声温度起了决定性作用。因此选用跨导特性比较好的器件及保证制冷质量是获得较低噪声的关键因素。其次分析一下器件噪声温度的第二

5、部分。最佳源阻抗尺+jX。与源阻抗尺+jX的接近程度是这一部分的关键。根据ATF．35143的器件手册，在L波段中心频率1670MHz频点处，尺+jX=10．4+j83．2，尺0pI+jXop1：84．9+j145。可以看出源阻抗与实现最佳噪声匹配所需的源阻抗还是有一定差距的，尤其在频率较低的L波段更为明显，所以必须用一定的电路形式来补偿为适应最佳噪声匹配而引起的输入端功率失配。目前比较成熟的方法有三种，第一种是在输入端加隔离器；第二种是平衡放大器结构；第三种是应用负反馈技术]。本设计采用了第三种方法，即通过源极加负反馈，加大最佳功率匹配的实部，使之接近于

6、最佳噪声匹配。这一方法的优点在于：(1)避免了隔离器或平衡放大器结构带来的额外噪声，(2)相对于平衡放大器来说器件少且结构简单，(3)避免了平衡放大器hybrid结构中复杂的跳线焊接工艺。采用源极负反馈方法应避免引入负反馈过大带来的电路不稳定性。ATF一35143放大管采用的是400微米线宽工艺，对源极负反馈比较敏感，过多负反馈将引起电路在高频出现自激3电路设计根据设计要求，应用Agilent公司的电路设计软件ADS(AdvancedDesignSystem)对放大器进行了计算机辅助设计。由于L波段频率比较低，所以采用了分立元件和微带线混合结构，使得放大器

7、几何尺寸更加合理。放大器原理见图1。微带线TL4，TL5，TL6和TL7实现了源极负反馈结构。它们的引入使得最佳源阻抗的实部有所增加，与最佳噪声阻抗的实部更接近，有利于在实现最佳噪声匹配的同时兼顾输入端的功率匹配。源极负反馈微带线结构的设计是综合考虑增益、噪声、稳定性等多方面因素决定的。微带分支结构TL2用于调整输入输出功率匹配。为了方便调整放大管的工作点，本设计采用了正负双电源直流偏置电路，一方面提供放大管最佳工作点所需的电压和电流，一方面参与噪声匹配和功率匹配。基片采用Rogers公司的TMM3材料，介电常数3．27，厚度0．762mm。铝质屏蔽盒，S

8、MA输入输出接头。放大器实物照片见图2。维普资讯http://ww