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STS-LNP型微波晶体管前置放大器
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STS-LNP型微波晶体管前置放大器
器工业总公司二0一研究所 陈文青
摘要：关键词：微波晶体管;电路;器件;放大器介绍了STS-LNP型微波晶体管前置放大器的电路结构与功能，详细阐述了该放大器在获得低噪声系数、低电压驻波比、平坦的增益特性、较好的工作稳定性等方面所采用的特殊方法，微波器件的选择以及微波电路的组装工艺措施。并对其工作原理和特性进行了说明。
STS-LNP型微波晶体管前置放大器是一种由美国"EMP-INC"公司生产的低噪声宽频带放大器，其电路原理如图1所示。在用作微波数字通信系统接收机的天线信号放大器时，可提高接收机输入端的信噪比S/N，增大通信距离，提高数字通信精度。该放大器的工作频率为1450MHz～1800MHz，增益为39dB，噪声系数最小为1.3dB，电压驻波比为1.5：1。经使用证明，在温度为-20～+50℃的环境条件下能数续稳定地工作。可见，该放大器在技术性能与实际应用等方面具一系列优点。下面就上述几项技术性能（低噪声系数与低电压驻波比，平坦的增益特性，较好的工作稳定性）和其相应的电路设计，以及特殊微波器件的应用和组装工艺等方面进行一些分析和说明。
1 低噪声系数与低电压驻波比
在微波晶体管或一般频段晶体管的多级低噪声放大器的设计中，通常应用的原理是将低噪声系数与低电压驻波比作为第一级的主要技术性能进行设计，而第二、三和以后几级则按平坦的增益特性和最大功率增益等性能进行设计。这种设计方法即可以使放大器具有低噪声和低电压驻波比，对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型微波晶体管前置放大器基本应用了上述设计思想。
我们知道，平衡放大器与非平衡放大器相比所具有的一个较突出的性能就是可以同时获得低噪声系获得与低电压驻波比。因此，第一级选用了平衡放大器。平衡放大器的这种低噪声系数与低电压驻波比性能是由其电路特征和预先设置的两个电路工作条件所决定的。其电路特征是指它由两个3dB定向耦合器（输入、输出回路中各设置一个）和一个对称性较好的放大器（单级为共发射极组态）组成。而两个电路的工作条件，第一是3dB定向耦合器具有较好的单方向性传输特性和反射特性；第二是平衡放大器中两只对管的S11（正入端的反射系数）、S22（输出端的反射系数）与S21（正向传输系数）等参数相同。有关分析资料证明，平衡放大器在其两个电路工作条件下，S11、S22均可近似为0，且只有S21存在。这就带来两具结果：第一是放大器的输入、输出回路都分别达到最佳阻抗匹配或是共轭匹配状态，以使微波信号得以最有效的传输，从而使放大器输入端的信噪比S/N达到最大值，最后使该放大器的噪声电平最小，即噪声系数最低、第二是电压驻波比可近似为1：1（电压驻波比 VSWR=1+S11）/（1-S11）或VSWR=（1+S22）/（1-S22），（当S11≈0或S22≈0时，VSWR≈1。）这也是放大器输入、输出回路中电压驻波比最低的状态。以上分析结论显然是在一种理想状态下得出的，而在实际应用中一般不可能达到S11和S22为0，但分析结果告诉我们，在设计与调试平衡放大器时，使两只对管的S11、S22、S21等参数以及3dB定向耦合器的传输特性和反射持性尽量满足平衡放大器的两个电路工作条件，即可使该放大器的噪声系数与电压驻波比达到尽可能低的状态。
我们知道，平衡放大器与非平衡放大器相比所具有的一个较突出的性能就是可以同时获得低噪声系获得与低电压驻波比。因此，第一级选用了平衡放大器。平衡放大器的这种低噪声系数与低电压驻波比性能是由其电路特征和预先设置的两个电路工作条件所决定的。其电路特征是指它由两个3dB定向耦合器（输入、输出回路中各设置一个）和一个对称性较好的放大器（单级为共发射极组态）组成。而两个电路的工作条件，第一是3dB定向耦合器具有较好的单方向性传输特性和反射特性；第二是平衡放大器中两只对管的S11（正入端的反射系数）、S22（输出端的反射系数）与S21（正向传输系数）等参数相同。有关分析资料证明，平衡放大器在其两个电路工作条件下，S11、S22均可近似为0，且只有S21存在。这就带来两具结果：第一是放大器的输入、输出回路都分别达到最佳阻抗匹配或是共轭匹配状态，以使微波信号得以最有效的传输，从而使放大器输入端的信噪比S/N达到最大值，最后使该放大器的噪声电平最小，即噪声系数最低、第二是电压驻波比可近似为1：1（电压驻波比 VSWR=1+S11）/（1-S11）或VSWR=（1+S22）/（1-S22），（当S11≈0或S22≈0时，VSWR≈1。）这也是放大器输入、输出回路中电压驻波比最低的状态。以上分析结论显然是在一种理想状态下得出的，而在实际应用中一般不可能达到S11和S22为0，但分析结果告诉我们，在设计与调试平衡放大器时，使两只对管的S11、S22、S21等参数以及3dB定向耦合器的传输特性和反射持性尽量满足平衡放大器的两个电路工作条件，即可使该放大器的噪声系数与电压驻波比达到尽可能低的状态。
STS-LNP型微波晶管前置放大器的低噪声性能还与平衡放大器的工作电流设置（平衡放大器中每单极工作电流为12.5mA，二、三两级的工作电流为10mA）有关。一般来说，电流较大标志着该放大器的功率增益高，这时就可忽略二、三两级噪声对整个放大器低噪声性能的影响。本文介绍的STS-LNP型微波晶体管前置放大器就具有如同第一级那样低噪声性能，其电路原理图如图1所示。
2 平坦的增益特性
平坦的增益特性是宽频带多级放大器的一个重要技术指标。对于微波晶体管宽频带多级放大器来说，使平坦的增益特性受影响的主要因素有以下两点：第一是微波晶体管的S21系数随 频率的升高下降较快，通常|S21|2按"6dB/倍频程"的速率下降；第二是放大器级间输入阻抗与输出阻抗失配。
STS-LNP型微波晶体管前置放大器较好地处理了上述两个问题。对第一点来说，STS-LNP型微波晶体管前置放大器在工作频段的高频端将每级的输入、输出阻抗都设置在最佳阻抗匹配状态，从而在高频端可获得较高的增益。这样就可对因S21系数在高频端的下降所产生的增益影响进行一定的补偿，图1所示的三级放大器中的每级输入端和输出端中所并联的不同规格的微调螺钉就起这个作用，这些微调螺钉盯当于图1中的微调电容C1—C6。关于第二点，主要是指当在高频端采用最佳阻抗匹配之后在低频端所引起的阻抗失配。这种阻抗失配会使放大器的增益-频率特性出现波动，其原因在于放大器输入端与输出端的反射系数的相位和幅值在一些频率上相互叠加，而在另一些频率上又相互抵消之缘故。解决该问题的一个有效方法是在每级的输出端串联一段一定长度的传输线。对于三级微波晶体管放大器来说，串联λg0/4(λg0为工作频段低端附近频率f0的波导波长)传输线即可在f0附近使每一级的失配疚受到抑制，从而使该放大器的增益在这个频带内比较平稳一些。在图1所示三级放大器中，第二、第三两级输出端的Z01和Z02则为λg0/4传输线之特性阻抗。因此，对于STS-Z02则为λg0/4传输线之特性阻抗。因此，对于STS-LNP型微波晶体管前置放大器来说，由于在每级放大器的输入、输出回路上均并联了微调螺钉及在第二、三级放大器的输出端串联了λg0/4传输线，所以该放大器在工作频段内具有平坦的增益特性。
STS-LNP型微波晶体管前置放大器较好地处理了上述两个问题。对第一点来说，STS-LNP型微波晶体管前置放大器在工作频段的高频端将每级的输入、输出阻抗都设置在最佳阻抗匹配状态，从而在高频端可获得较高的增益。这样就可对因S21系数在高频端的下降所产生的增益影响进行一定的补偿，图1所示的三级放大器中的每级输入端和输出端中所并联的不同规格的微调螺钉就起这个作用，这些微调螺钉盯当于图1中的微调电容C1—C6。关于第二点，主要是指当在高频端采用最佳阻抗匹配之后在低频端所引起的阻抗失配。这种阻抗失配会使放大器的增益-频率特性出现波动，其原因在于放大器输入端与输出端的反射系数的相位和幅值在一些频率上相互叠加，而在另一些频率上又相互抵消之缘故。解决该问题的一个有效方法是在每级的输出端串联一段一定长度的传输线。对于三级微波晶体管放大器来说，串联λg0/4(λg0为工作频段低端附近频率f0的波导波长)传输线即可在f0附近使每一级的失配疚受到抑制，从而使该放大器的增益在这个频带内比较平稳一些。在图1所示三级放大器中，第二、第三两级输出端的Z01和Z02则为λg0/4传输线之特性阻抗。因此，对于STS-Z02则为λg0/4传输线之特性阻抗。因此，对于STS-LNP型微波晶体管前置放大器来说，由于在每级放大器的输入、输出回路上均并联了微调螺钉及在第二、三级放大器的输出端串联了λg0/4传输线，所以该放大器在工作频段内具有平坦的增益特性。
3 较好的工作稳定性
无论是微波晶体管放大器还是一般射频晶体管放大器，或是其它类型放大器，工作稳定的一个重要标志是不产生自激振荡，并且远离自激振荡状态。这也就是说，自激振荡是各种放大器存在的一个重要的不稳定因素。对微波晶体管放大器来说，可能引起自激振荡的因素有以下几种：第一，线路中的寄生效应（元器件的引线电感，分布电容，寄生耦合电容等分布参数产生的干扰信号），轻则给放大器带来额外噪声，重则生产自激振荡；第二，直流电压电路（由交流电压经整流供电）中的纹波以及各种噪声信号的影响；第三，微波晶体管存在较高的低频增益（如工作频率为2000MHz时增益为6dB，而工作频率在10MHz时增益大到30dB）时，有可能产生低频自激振荡；第四，在工作频率段内，微波能量有可能泄漏到直流电压电路中，造成微波能量的损耗。针对上述几点，STS-LNP型微波晶体管前置放大器从电路设计、元器件选用和组装工艺等方面采用了一系列措施来降低或消除这些不稳定因素对放大器产生的不良影响，从而使该放大器具有较好的工作稳定性。下面就两个方面分别加以说明。
3.1 电路设计与元器件选用
STS-LMP型微波晶体管前置放大器在电路设计与元器件选用方面采用了以下几点突出的措施：
（1）采用线路板模拟微波集成电路模式进行元器件排列与走线，同时每级放大器的输入端或输出端均采用特性阻抗等于50Ω的徽带线进行级间信号耦合，这样既便于放大器级间的阻抗匹配，又减小了线路中分布参数的影响。
（2）在每级徽波晶体管的基极偏压电路和集电极电压电路中分别串联了λg/4(λg为工作频段中心频率的波导波长)传输线，图1中的L1～L4为其等效电感，它们对微波信号所起的高阴抗扼流作用，有效地阻止了工作频段内的微波能量汇漏到直流电压电路中，从而防止了微波能量的损耗；
（3）直流电压电路中（尤其是第一级）的滤波电容或旁路电容的数值范围为500～1000pF，这样既能有效克服因微波晶体管低频增益较大可能产生的低频自激振荡，同时又能起到一般滤波电路的滤波效果；
（4）微波信号电路中均选用无引线的薄膜电阻与薄膜电容，另外每级微波晶体管的三个电极几乎是管脚根部直接焊接在线路的焊点上的，从而极大的减小了引线电感所产生的寄生效应；
（5）第一级的发射极电路中设置的电流负反馈电阻（51Ω）进一步提高了放大器的稳定性。
3.2 工艺组装
在组装工艺方面采用了以下几个措施：
（1）将微波信号电路（含微波元器件）与直流电压电路（含滤波电路）分别设置在线路板的两个板面（正面与反面）上，并且将整个板面设计为一层良好的金属敷层（见图2），以对微波信号起到一定的屏蔽作用；
3.1 电路设计与元器件选用
STS-LMP型微波晶体管前置放大器在电路设计与元器件选用方面采用了以下几点突出的措施：
（1）采用线路板模拟微波集成电路模式进行元器件排列与走线，同时每级放大器的输入端或输出端均采用特性阻抗等于50Ω的徽带线进行级间信号耦合，这样既便于放大器级间的阻抗匹配，又减小了线路中分布参数的影响。
（2）在每级徽波晶体管的基极偏压电路和集电极电压电路中分别串联了λg/4(λg为工作频段中心频率的波导波长)传输线，图1中的L1～L4为其等效电感，它们对微波信号所起的高阴抗扼流作用，有效地阻止了工作频段内的微波能量汇漏到直流电压电路中，从而防止了微波能量的损耗；
（3）直流电压电路中（尤其是第一级）的滤波电容或旁路电容的数值范围为500～1000pF，这样既能有效克服因微波晶体管低频增益较大可能产生的低频自激振荡，同时又能起到一般滤波电路的滤波效果；
（4）微波信号电路中均选用无引线的薄膜电阻与薄膜电容，另外每级微波晶体管的三个电极几乎是管脚根部直接焊接在线路的焊点上的，从而极大的减小了引线电感所产生的寄生效应；
（5）第一级的发射极电路中设置的电流负反馈电阻（51Ω）进一步提高了放大器的稳定性。
3.2 工艺组装
在组装工艺方面采用了以下几个措施：
（1）将微波信号电路（含微波元器件）与直流电压电路（含滤波电路）分别设置在线路板的两个板面（正面与反面）上，并且将整个板面设计为一层良好的金属敷层（见图2），以对微波信号起到一定的屏蔽作用；
（2）每级微波晶体管的集电极电压与基极偏压均在线路板的一端集中调节好，然后通过单根导线加到各级，同时在每条硬导线的中间点增设一个接线柱（此接线柱与地绝缘），另在硬导线与接线柱的接点到地之间再接一只容量在3000pF左右的电容（见图2），这种直流电压连线方式对微信号而言可等效为两节LC滤波器（图1中的LF1CF1～LF5CF5），因此可进一步阻止微波信号泄漏到直流电路中，同时也加强了对直流电压电路中纹波及其它干扰信号的滤波效果，提高了微波信号的传输效率与放大器的工作稳定性。
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