摘要： 随着雷达、电子对抗和无线通信等技术的不断发展，宽带、超宽带通信技术的日新月异，宽带微波低噪声放大器处于宽带接收系统的前端，决定着整个通信系统的工作带宽、噪声系数和增益等技术指标，在整个通讯系统中占有重要地位。
Abstract： With the rapid development of radar， ECM and wireless communication technology， and the changes and improvement of the technologies of broadband and ultra-wide band， the broad ban amplifier with low-noise amplifiers is located in the front-ends of broad band receivers. It determines the band width， noise figure and gain of the whole communication systems， and plays important role in the whole communication systems.
关键词： 宽带放大器;平衡式技术;低噪声
Key words： broad band amplifier;balancing technology;low-noise
0 引言
随着无线通讯技术的不断发展，对低噪声放大器的性能指标不断提高。本文设计了一种X～Ku波段超宽带低噪声放大器，其工作频率为10GHz～15GHz，增益≥10dB，带内增益平坦度≤1dB，噪声系数<2.5dB，输入输出驻波比<2，具有良好的输入输出驻波比，同时具有较为平坦的增益以及极小的噪声系数。
1 宽带放大器
常用的宽带放大器有以下五种形式：①负反馈式放大器，在场效应管的漏极和栅极之间加入反馈，可以使放大器在整个频带内获得较为平坦的功率增益，改善了输入输出匹配，从而获得较低的回波损耗;②有损耗匹配放大器，具有较好的带内增益平坦度，优良的输入输出匹配，缺点是放大器的增益降低，噪声系数提高;③有源匹配式放大器，用晶体管代替微带线或电容、电感作为电路元件，匹配性能优良，一般用于单片微波集成;④分布式放大器，具有简单的电路拓扑结构，可以获得较宽的工作频带、较高的增益、噪声系数偏高[2];⑤平衡式放大器，具有良好的输入输出驻波比，改善了低噪声放大器的增益平坦度、较高的增益、最小噪声系数，缺点是电路体积大，工艺要求高[3];为了满足设计指标中对输入输出驻波比的严格要求和带宽限制，本文采用平衡式放大器的设计方案，其构成如图1所示。
平衡式放大器是由两个对称的放大器和两个3dB正交耦合器构成。输入信号经过3dB正交耦合器，分为相位差为90°的两路等功率信号，接着进入放大器进行放大，最后在输出端口的3dB正交耦合器再次转变为同相位，从而实现功率合成[1]。
2 超宽带低噪声放大器的设计
2.1 晶体管的选用 由于该低噪声放大器的频率响应范围较宽，所以选择了MGF4941AL晶体管，根据数据手册可知，频率在12GHz时，晶体管最小噪声系数为0.35dB，增益可达13dB。根据本设计的要求，只需要一级放大器就已经足够了。所以MGF4941AL晶体管符合设计要求。
2.2 四分枝3dB耦合器的设计 对于超宽带平衡式放大器来说，3dB耦合器的设计是整个低噪声放大器设计的重点和难点。在频率响应范围内完成功率的等额分配，并产生90°相位差响应，这是3dB耦合器的主要作用。由于设计的放大器要求其工作频率的相对带宽在20%以内，所以双枝节耦合器不符合[1]。因此本设计采用多枝节耦合器构成平衡式放大器。采用多枝节耦合器仿真的原理图如图2所示。
四枝节3dB耦合器S参数的仿真结果如图3所示，在整个频带内功率差在0.2dB以内，2路的功率差额度在0.8dB以内，相位差小于1度。仿真结果良好，输入端口的反射系数和隔离度都低于-20dB[1]。
2.3 超宽带放大器的匹配与优化 超宽带放大器的频率跨度范围较大，基于宽带匹配的相关理论，同时利用仿真软件，建立目标函数进行大范围的随机优化，得到一个近似解，再用梯度优化的方法得到最优解[1]。放大器的原理图如图4所示。
在该低噪声放大器的基础上，同时在其前后插入3dB四分枝耦合器，得到平衡式放大器。同时将微带线的长度设置为变量VAR，经过优化设计后，放大器的最终仿真结果如图5所示。
从仿真结果可知，在整个工作频带内，增益在11dB到12dB之间，增益平坦度在1dB以内，噪声系数小于1dB，输入输出驻波比小于1.3，放大器绝对稳定。
3 总结
超宽带低噪声放大器有着非常广阔的应用前景，设计要求也不同于一般的低噪声放大器，对输入输出驻波比和工作带宽有着非常严格的要求。由常用五种宽带放大器参数比较（表1）可知，本设计所采用的平衡式放大器结构，无论从增益、增益平坦度、噪声系数以及输入输出驻波比等方面，均优于其他的宽带放大器，完全符合设计要求。
参考文献：
[1]张静秋.低噪声放大器的设计与实现[D].南京理工大学，2013，4.
[2]何川，孙玉发，贾世红，X Ku波段宽带低噪声放大器的设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版）.2008，10：1510-1513.
[3]何川.微波宽带低噪声放大器的研究与设计[D].安徽大学，2011，4.