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構與功能，詳細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。并對其工作原理和特性進行了說明。

關鍵詞：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“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)接收機的天線信號放大器時，可提高接收機輸入端的信噪比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?，該放大器在技術性能與實際應用等方面具一系列優(yōu)點。下面就上述幾項技術性能（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）和其相應的電路設計，以及特殊微波器件的應用和組裝工藝等方面進行一些分析和說明。

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低噪聲放大器的設計中，通常應用的原理是將低噪聲系數(shù)與低電壓駐波比作為第一級的主要技術性能進行設計，而第二、三和以后幾級則按平坦的增益特性和最大功率增益等性能進行設計。這種設計方法即可以使放大器具有低噪聲和低電壓駐波比，對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用了上述設計思想。

我們知道，平衡放大器與非平衡放大器相比所具有的一個較突出的性能就是可以同時獲得低噪聲系獲得與低電壓駐波比。因此，第一級選用了平衡放大器。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先設置的兩個電路工作條件所決定的。其電路特征是指它由兩個3dB定向耦合器（輸入、輸出回路中各設置一個）和一個對稱性較好的放大器（單級為共發(fā)射極組態(tài)）組成。而兩個電路的工作條件，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。有關分析資料證明，平衡放大器在其兩個電路工作條件下，S11、S22均可近似為0，且只有S21存在。這就帶來兩具結果：第一是放大器的輸入、輸出回路都分別達到最佳阻抗匹配或是共軛匹配狀態(tài)，以使微波信號得以最有效的傳輸，從而使放大器輸入端的信噪比S/N達到最大值，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S11≈0或S22≈0時，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)。以上分析結論顯然是在一種理想狀態(tài)下得出的，而在實際應用中一般不可能達到S11和S22為0，但分析結果告訴我們，在設計與調試平衡放大器時，使兩只對管的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置（平衡放大器中每單極工作電流為12.5mA，二、三兩級的工作電流為10mA）有關。一般來說，電流較大標志著該放大器的功率增益高，這時就可忽略二、三兩級噪聲對整個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放大器的一個重要技術指標。對于微波晶體管寬頻帶多級放大器來說，使平坦的增益特性受影響的主要因素有以下兩點：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問題。對第一點來說，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的輸入、輸出阻抗都設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。這樣就可對因S21系數(shù)在高頻端的下降所產(chǎn)生的增益影響進行一定的補償，圖1所示的三級放大器中的每級輸入端和輸出端中所并聯(lián)的不同規(guī)格的微調螺釘就起這個作用，這些微調螺釘盯當于圖1中的微調電容C1-C6。關于第二點，主要是指當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。這種阻抗失配會使放大器的增益-頻率特性出現(xiàn)波動，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。解決該問題的一個有效方法是在每級的輸出端串聯(lián)一段一定長度的傳輸線。對于三級微波晶體管放大器來說，串聯(lián)λg0/4(λg0為工作頻段低端附近頻率f0的波導波長)傳輸線即可在f0附近使每一級的失配疚受到抑制，從而使該放大器的增益在這個頻帶內比較平穩(wěn)一些。在圖1所示三級放大器中，第二、第三兩級輸出端的Z01和Z02則為λg0/4傳輸線之特性阻抗。因此，對于STS-Z02則為λg0/4傳輸線之特性阻抗。因此，對于STS-LNP型微波晶體管前置放大器來說，由于在每級放大器的輸入、輸出回路上均并聯(lián)了微調螺釘及在第二、三級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具有平坦的增益特性。

3 較好的工作穩(wěn)定性

無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)定的一個重要標志是不產(chǎn)生自激振蕩，并且遠離自激振蕩狀態(tài)。這也就是說，自激振蕩是各種放大器存在的一個重要的不穩(wěn)定因素。對微波晶體管放大器來說，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（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），輕則給放大器帶來額外噪聲，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時增益為6dB，而工作頻率在10MHz時增益大到30dB）時，有可能產(chǎn)生低頻自激振蕩；第四，在工作頻率段內，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。針對上述幾點，STS-LNP型微波晶體管前置放大器從電路設計、元器件選用和組裝工藝等方面采用了一系列措施來降低或消除這些不穩(wěn)定因素對放大器產(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。下面就兩個方面分別加以說明。

3.1 電路設計與元器件選用

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

（1）采用線路板模擬微波集成電路模式進行元器件排列與走線，同時每級放大器的輸入端或輸出端均采用特性阻抗等于50Ω的徽帶線進行級間信號耦合，這樣既便于放大器級間的阻抗匹配，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波長)傳輸線，圖1中的L1～L4為其等效電感，它們對微波信號所起的高陰抗扼流作用，有效地阻止了工作頻段內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）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，同時又能起到一般濾波電路的濾波效果；

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

（5）第一級的發(fā)射極電路中設置的電流負反饋電阻（51Ω）進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措施：

（1）將微波信號電路（含微波元器件）與直流電壓電路（含濾波電路）分別設置在線路板的兩個板面（正面與反面）上，并且將整個板面設計為一層良好的金屬敷層（見圖2），以對微波信號起到一定的屏蔽作用；

（2）每級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節(jié)好，然后通過單根導線加到各級，同時在每條硬導線的中間點增設一個接線柱（此接線柱與地絕緣），另在硬導線與接線柱的接點到地之間再接一只容量在3000pF左右的電容（見圖2），這種直流電壓連線方式對微信號而言可等效為兩節(jié)LC濾波器（圖1中的LF1CF1～LF5CF5），因此可進一步阻止微波信號泄漏到直流電路中，同時也加強了對直流電壓電路中紋波及其它干擾信號的濾波效果，提高了微波信號的傳輸效率與放大器的工作穩(wěn)定性。