在高溫超導(dǎo)濾波器后級(jí)的低溫低噪聲放大器的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法

本文選用atf-54143型晶體管，采用常溫下晶體管的S參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并主要采用集總元件實(shí)現(xiàn)電路匹配。詳細(xì)分析了如何設(shè)計(jì)匹配電路來滿足放大器各項(xiàng)指標(biāo)要求，并提出了低溫環(huán)境下的調(diào)試方法。

圖1 超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)
1 放大器設(shè)計(jì)

將放大器電路按圖2作簡化，由于1.9GHz-2GHz屬于L波段，選擇集總元件作匹配電路可以有效減小電路尺寸。設(shè)計(jì)方法同常溫下設(shè)計(jì)低噪聲放大器的方法一致，通過微波仿真軟件ADS幫助計(jì)算，綜合考慮功率匹配，噪聲匹配和駐波匹配，在保證放大器絕對穩(wěn)定的前提下找到平衡點(diǎn)，使得各指標(biāo)滿足性能要求。

圖2 放大器示意圖

噪聲系數(shù)是優(yōu)先考慮的對象，晶體管的噪聲由下式?jīng)Q定：

輸出匹配電路為了穩(wěn)定性的考慮通常要加入損耗元件，其功率匹配和駐波匹配不再一致，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是得到需要的ΓL值的同時(shí)改善輸出駐波匹配。

2 放大器的研制和低溫下調(diào)試

根據(jù)設(shè)計(jì)的電路繪制PCB版圖，焊接元件，封裝等一系列步驟以后，研制出需要的放大器（圖3）。在70K超導(dǎo)溫度下測量，發(fā)現(xiàn)其性能和設(shè)計(jì)有較大偏差，這一方面是由于實(shí)際電路中大量短微帶線的影響，各分立元件的離散性，和軟件模擬晶體管性能的誤差。更重要原因的是晶體管特性在如此低的溫度下發(fā)生的顯著的變化。根據(jù)德國波鴻大學(xué)Helmut Piel 教授小組對atf54143晶體管低溫特性的測量，其S參數(shù)較常溫都呈現(xiàn)往高頻偏移的特性[3]。

圖3 放大器實(shí)物圖

由此可見，根據(jù)實(shí)測結(jié)果對電路的部分元件進(jìn)行調(diào)整是必需的。調(diào)試的步驟可歸納為低溫下測量 ━ 理論計(jì)算偏差值 ━ 常溫下置換元件 ━ 低溫下測量的循環(huán)過程，直到獲得滿意的性能。

放大器的調(diào)試主要就是匹配點(diǎn)的調(diào)試，借助Smith圓圖將使這個(gè)過程變得直觀方便。以輸入駐波為例，根據(jù)低溫下網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的Γ1值利用史密斯圓圖可以反推Γin值，然后計(jì)算使Γ1=0的C1*,L1*取值。值得注意的是，放大器兩端的引線和SMA接頭的長度lin必須加入計(jì)算。圖4形象地展示了計(jì)算的過程。

C1，L1作為貼片元件，其元件值都是分立的，經(jīng)常出現(xiàn)元件系列中沒有需要的元件值的情況，這給調(diào)試帶來一定的困難。采用可調(diào)微帶電抗可以很好的解決這個(gè)問題。圖4中給出了可調(diào)微帶電容的結(jié)構(gòu)，一個(gè)電容后端接了一段開路微帶線，根據(jù)微帶線理論，此支路等效阻抗Z1由（3）式?jīng)Q定：

其中，β由微帶線寬高比W/h和介質(zhì)介電常數(shù)決定，通過改變微帶線寬W可以改變參數(shù)β。于是我們可以通過調(diào)節(jié)微帶線的L與W來微調(diào)接入阻抗Z的值。這樣的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)連續(xù)可調(diào)的電容C’。增加這樣一個(gè)可調(diào)微帶電容結(jié)構(gòu)以后，支路電容值可以通過切割或者粘貼微帶線連續(xù)可調(diào)，給低溫調(diào)試帶來極大的便利。類似的，如果使用一段末端接地的短微帶線作為支路，則相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)電感，同樣可以用來調(diào)試放大器電路。

圖4 Smith圓圖和可調(diào)微帶電容
上述調(diào)試方法適用于L波段，對于更高的微波頻段，電路分布效應(yīng)進(jìn)一步增加，需要更精確的調(diào)試方法。最后，經(jīng)過調(diào)試的低溫低噪聲放大器在70K溫度下1.9GHz-2GHz通帶內(nèi)滿足增益大于18，輸入輸出反射損耗小于-20dB，噪聲低于0.5dB，滿足性能要求并且和超導(dǎo)濾波器匹配良好（圖5）。

圖5 低溫低噪聲放大器性能

3 結(jié)論

本文介紹了低溫下低噪聲放大器的設(shè)計(jì)調(diào)試方法。總結(jié)了綜合考慮功率匹配，駐波匹配和噪聲匹配的設(shè)計(jì)思路。針對低溫下放大器性能和常溫相比有很大改變的情況，提出了利用Smith圓圖和微帶可調(diào)電容結(jié)構(gòu)的調(diào)試方法，并成功研制出工作在高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)中頻率范圍為1.9G-2GHz的低溫低噪聲放大器，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求，該方法對于L波段均適用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):
1． 介紹工作在超低溫(70K)下的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)中低噪聲放大器的研制方法。
2． 利用Smith圓圖和可調(diào)微帶電容進(jìn)行低溫下調(diào)試
3． 并研制出了高性能的1.9GHz-2GHz頻段的低溫低噪聲放大器。

參考文獻(xiàn):
[1] Klauda. M, Kasser. T, Mayer. B.“Superconductors and Cryogenics for Future Communication Systems”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2000;48(7):1228.
[2] 李宗謙.《微波工程基礎(chǔ)》.清華大學(xué)出版社，2004：168.
[3] 王昕，王凡，張曉平等. “場效應(yīng)器件低溫特性與低噪聲放大器”.低溫物理學(xué)報(bào)，2005;27(2):159-164.
[4] 王昌林，李東生，張勇. “一種射頻CMOS低噪聲放大器的設(shè)計(jì)”. 微計(jì)算機(jī)信息，2006.12:117-119

作者簡介：
蔡康康 男，1983年11月生于浙江，2004年畢業(yè)于清華大學(xué)電子工程系并獲清華大學(xué)學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)為清華大學(xué)物理系碩士研究生，研究方向主要為超導(dǎo)系統(tǒng)中低噪聲放大器設(shè)計(jì)。
Email:caikangkang00@mails.tsinghua.edu.cn; 聯(lián)系電話:13693322200
曹必松（1946- ),男,清華大學(xué)物理系博導(dǎo),研究方向：超導(dǎo)物理的基礎(chǔ)研究，超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用研究。