STS-LNP型微波晶體管前置放大器

摘要：介紹了STS-LNP型微波晶體管前置放大器的電路結(jié)構(gòu)與功能，詳細(xì)闡述了該放大器在獲得低噪聲系數(shù)、低電壓駐波比、平坦的增益特性、較好的工作穩(wěn)定性等方面所采用的特殊方法，微波器件的選擇以及微波電路的組裝工藝措施。并對(duì)其工作原理和特性進(jìn)行了說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：微波晶體管 電路 器件 放大器

STS-LNP型微波晶體管前置放大器是一種由美國(guó)“EMP-INC”公司生產(chǎn)的低噪聲寬頻帶放大器，其電路原理如圖1所示。在用作微波數(shù)字通信系統(tǒng)接收機(jī)的天線信號(hào)放大器時(shí)，可提高接收機(jī)輸入端的信噪比S/N，增大通信距離，提高數(shù)字通信精度。該放大器的工作頻率為1450MHz～1800MHz，增益為39dB，噪聲系數(shù)最小為1.3dB，電壓駐波比為1.5：1。經(jīng)使用證明，在溫度為-20～+50℃的環(huán)境條件下能數(shù)續(xù)穩(wěn)定地工作?？梢?jiàn)，該放大器在技術(shù)性能與實(shí)際應(yīng)用等方面具一系列優(yōu)點(diǎn)。下面就上述幾項(xiàng)技術(shù)性能（低噪聲系數(shù)與低電壓駐波比，平坦的增益特性，較好的工作穩(wěn)定性）和其相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，以及特殊微波器件的應(yīng)用和組裝工藝等方面進(jìn)行一些分析和說(shuō)明。

1 低噪聲系數(shù)與低電壓駐波比

在微波晶體管或一般頻段晶體管的多級(jí)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，通常應(yīng)用的原理是將低噪聲系數(shù)與低電壓駐波比作為第一級(jí)的主要技術(shù)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，而第二、三和以后幾級(jí)則按平坦的增益特性和最大功率增益等性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法即可以使放大器具有低噪聲和低電壓駐波比，對(duì)可以使其具有所要求的平坦的增益特性和一定的功率增益。STS-LNP型微波晶體管前置放大器基本應(yīng)用了上述設(shè)計(jì)思想。

我們知道，平衡放大器與非平衡放大器相比所具有的一個(gè)較突出的性能就是可以同時(shí)獲得低噪聲系獲得與低電壓駐波比。因此，第一級(jí)選用了平衡放大器。平衡放大器的這種低噪聲系數(shù)與低電壓駐波比性能是由其電路特征和預(yù)先設(shè)置的兩個(gè)電路工作條件所決定的。其電路特征是指它由兩個(gè)3dB定向耦合器（輸入、輸出回路中各設(shè)置一個(gè)）和一個(gè)對(duì)稱性較好的放大器（單級(jí)為共發(fā)射極組態(tài)）組成。而兩個(gè)電路的工作條件，第一是3dB定向耦合器具有較好的單方向性傳輸特性和反射特性；第二是平衡放大器中兩只對(duì)管的S11（正入端的反射系數(shù)）、S22（輸出端的反射系數(shù)）與S21（正向傳輸系數(shù)）等參數(shù)相同。有關(guān)分析資料證明，平衡放大器在其兩個(gè)電路工作條件下，S11、S22均可近似為0，且只有S21存在。這就帶來(lái)兩具結(jié)果：第一是放大器的輸入、輸出回路都分別達(dá)到最佳阻抗匹配或是共軛匹配狀態(tài)，以使微波信號(hào)得以最有效的傳輸，從而使放大器輸入端的信噪比S/N達(dá)到最大值，最后使該放大器的噪聲電平最小，即噪聲系數(shù)最低、第二是電壓駐波比可近似為1：1（電壓駐波比 VSWR=1+S11）/（1-S11）或VSWR=（1+S22）/（1-S22），（當(dāng)S11≈0或S22≈0時(shí)，VSWR≈1。）這也是放大器輸入、輸出回路中電壓駐波比最低的狀態(tài)。以上分析結(jié)論顯然是在一種理想狀態(tài)下得出的，而在實(shí)際應(yīng)用中一般不可能達(dá)到S11和S22為0，但分析結(jié)果告訴我們，在設(shè)計(jì)與調(diào)試平衡放大器時(shí)，使兩只對(duì)管的S11、S22、S21等參數(shù)以及3dB定向耦合器的傳輸特性和反射持性盡量滿足平衡放大器的兩個(gè)電路工作條件，即可使該放大器的噪聲系數(shù)與電壓駐波比達(dá)到盡可能低的狀態(tài)。

STS-LNP型微波晶管前置放大器的低噪聲性能還與平衡放大器的工作電流設(shè)置（平衡放大器中每單極工作電流為12.5mA，二、三兩級(jí)的工作電流為10mA）有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，電流較大標(biāo)志著該放大器的功率增益高，這時(shí)就可忽略二、三兩級(jí)噪聲對(duì)整個(gè)放大器低噪聲性能的影響。本文介紹的STS-LNP型微波晶體管前置放大器就具有如同第一級(jí)那樣低噪聲性能，其電路原理圖如圖1所示。

2 平坦的增益特性

平坦的增益特性是寬頻帶多級(jí)放大器的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于微波晶體管寬頻帶多級(jí)放大器來(lái)說(shuō)，使平坦的增益特性受影響的主要因素有以下兩點(diǎn)：第一是微波晶體管的S21系數(shù)隨 頻率的升高下降較快，通常S21 2按“6dB/倍頻程”的速率下降；第二是放大器級(jí)間輸入阻抗與輸出阻抗失配。

STS-LNP型微波晶體管前置放大器較好地處理了上述兩個(gè)問(wèn)題。對(duì)第一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，STS-LNP型微波晶體管前置放大器在工作頻段的高頻端將每級(jí)的輸入、輸出阻抗都設(shè)置在最佳阻抗匹配狀態(tài)，從而在高頻端可獲得較高的增益。這樣就可對(duì)因S21系數(shù)在高頻端的下降所產(chǎn)生的增益影響進(jìn)行一定的補(bǔ)償，圖1所示的三級(jí)放大器中的每級(jí)輸入端和輸出端中所并聯(lián)的不同規(guī)格的微調(diào)螺釘就起這個(gè)作用，這些微調(diào)螺釘盯當(dāng)于圖1中的微調(diào)電容C1-C6。關(guān)于第二點(diǎn)，主要是指當(dāng)在高頻端采用最佳阻抗匹配之后在低頻端所引起的阻抗失配。這種阻抗失配會(huì)使放大器的增益-頻率特性出現(xiàn)波動(dòng)，其原因在于放大器輸入端與輸出端的反射系數(shù)的相位和幅值在一些頻率上相互疊加，而在另一些頻率上又相互抵消之緣故。解決該問(wèn)題的一個(gè)有效方法是在每級(jí)的輸出端串聯(lián)一段一定長(zhǎng)度的傳輸線。對(duì)于三級(jí)微波晶體管放大器來(lái)說(shuō)，串聯(lián)λg0/4(λg0為工作頻段低端附近頻率f0的波導(dǎo)波長(zhǎng))傳輸線即可在f0附近使每一級(jí)的失配疚受到抑制，從而使該放大器的增益在這個(gè)頻帶內(nèi)比較平穩(wěn)一些。在圖1所示三級(jí)放大器中，第二、第三兩級(jí)輸出端的Z01和Z02則為λg0/4傳輸線之特性阻抗。因此，對(duì)于STS-Z02則為λg0/4傳輸線之特性阻抗。因此，對(duì)于STS-LNP型微波晶體管前置放大器來(lái)說(shuō)，由于在每級(jí)放大器的輸入、輸出回路上均并聯(lián)了微調(diào)螺釘及在第二、三級(jí)放大器的輸出端串聯(lián)了λg0/4傳輸線，所以該放大器在工作頻段內(nèi)具有平坦的增益特性。

3 較好的工作穩(wěn)定性

無(wú)論是微波晶體管放大器還是一般射頻晶體管放大器，或是其它類型放大器，工作穩(wěn)定的一個(gè)重要標(biāo)志是不產(chǎn)生自激振蕩，并且遠(yuǎn)離自激振蕩狀態(tài)。這也就是說(shuō)，自激振蕩是各種放大器存在的一個(gè)重要的不穩(wěn)定因素。對(duì)微波晶體管放大器來(lái)說(shuō)，可能引起自激振蕩的因素有以下幾種：第一，線路中的寄生效應(yīng)（元器件的引線電感，分布電容，寄生耦合電容等分布參數(shù)產(chǎn)生的干擾信號(hào)），輕則給放大器帶來(lái)額外噪聲，重則生產(chǎn)自激振蕩；第二，直流電壓電路（由交流電壓經(jīng)整流供電）中的紋波以及各種噪聲信號(hào)的影響；第三，微波晶體管存在較高的低頻增益（如工作頻率為2000MHz時(shí)增益為6dB，而工作頻率在10MHz時(shí)增益大到30dB）時(shí)，有可能產(chǎn)生低頻自激振蕩；第四，在工作頻率段內(nèi)，微波能量有可能泄漏到直流電壓電路中，造成微波能量的損耗。針對(duì)上述幾點(diǎn)，STS-LNP型微波晶體管前置放大器從電路設(shè)計(jì)、元器件選用和組裝工藝等方面采用了一系列措施來(lái)降低或消除這些不穩(wěn)定因素對(duì)放大器產(chǎn)生的不良影響，從而使該放大器具有較好的工作穩(wěn)定性。下面就兩個(gè)方面分別加以說(shuō)明。

3.1 電路設(shè)計(jì)與元器件選用

STS-LMP型微波晶體管前置放大器在電路設(shè)計(jì)與元器件選用方面采用了以下幾點(diǎn)突出的措施：

（1）采用線路板模擬微波集成電路模式進(jìn)行元器件排列與走線，同時(shí)每級(jí)放大器的輸入端或輸出端均采用特性阻抗等于50Ω的徽帶線進(jìn)行級(jí)間信號(hào)耦合，這樣既便于放大器級(jí)間的阻抗匹配，又減小了線路中分布參數(shù)的影響。

（2）在每級(jí)徽波晶體管的基極偏壓電路和集電極電壓電路中分別串聯(lián)了λg/4(λg為工作頻段中心頻率的波導(dǎo)波長(zhǎng))傳輸線，圖1中的L1～L4為其等效電感，它們對(duì)微波信號(hào)所起的高陰抗扼流作用，有效地阻止了工作頻段內(nèi)的微波能量匯漏到直流電壓電路中，從而防止了微波能量的損耗；

（3）直流電壓電路中（尤其是第一級(jí)）的濾波電容或旁路電容的數(shù)值范圍為500～1000pF，這樣既能有效克服因微波晶體管低頻增益較大可能產(chǎn)生的低頻自激振蕩，同時(shí)又能起到一般濾波電路的濾波效果；

（4）微波信號(hào)電路中均選用無(wú)引線的薄膜電阻與薄膜電容，另外每級(jí)微波晶體管的三個(gè)電極幾乎是管腳根部直接焊接在線路的焊點(diǎn)上的，從而極大的減小了引線電感所產(chǎn)生的寄生效應(yīng)；

（5）第一級(jí)的發(fā)射極電路中設(shè)置的電流負(fù)反饋電阻（51Ω）進(jìn)一步提高了放大器的穩(wěn)定性。

3.2 工藝組裝

在組裝工藝方面采用了以下幾個(gè)措施：

（1）將微波信號(hào)電路（含微波元器件）與直流電壓電路（含濾波電路）分別設(shè)置在線路板的兩個(gè)板面（正面與反面）上，并且將整個(gè)板面設(shè)計(jì)為一層良好的金屬敷層（見(jiàn)圖2），以對(duì)微波信號(hào)起到一定的屏蔽作用；

（2）每級(jí)微波晶體管的集電極電壓與基極偏壓均在線路板的一端集中調(diào)節(jié)好，然后通過(guò)單根導(dǎo)線加到各級(jí)，同時(shí)在每條硬導(dǎo)線的中間點(diǎn)增設(shè)一個(gè)接線柱（此接線柱與地絕緣），另在硬導(dǎo)線與接線柱的接點(diǎn)到地之間再接一只容量在3000pF左右的電容（見(jiàn)圖2），這種直流電壓連線方式對(duì)微信號(hào)而言可等效為兩節(jié)LC濾波器（圖1中的LF1CF1～LF5CF5），因此可進(jìn)一步阻止微波信號(hào)泄漏到直流電路中，同時(shí)也加強(qiáng)了對(duì)直流電壓電路中紋波及其它干擾信號(hào)的濾波效果，提高了微波信號(hào)的傳輸效率與放大器的工作穩(wěn)定性。