L波段致冷低噪声放大器-硬件和射频工程师.PDF

维普资讯 中 国 科 学 院 上 海 天 文 台 年 刊 2004年 第25期 ANNALSOFSHANGHAIOBSERVATORYACADEMIASINICA No．25，2004 L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 2V7mA，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：TN722．3 1 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 第25期 L波段致冷低噪声放大器 129 ： … + × [(R一RJp【1)+(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Ta15K时t0．07，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