低噪声模块 (LNB) 是卫星通信系统接收器链中的关键功能模块。 LNB 基本上由一个低噪声放大器 (LNA) 链和一个下变频器组成。 虽然 LNB 中使用的组件和电路随着时间的推移而不断发展，并且在产品之间存在很大差异，但 LNA 的基本要求保持不变，即在放大器输入端提供尽可能低的噪声系数和适当的匹配条件。
本技术说明讨论了用作卫星接收器第一级 LNA 的超低噪声放大器的一些设计注意事项。 选择的频率是 12GHz，它位于 Ku 波段的低端，由于其在三个关键系统性能参数之间的理想平衡而被广泛用于高数据速率卫星通信应用：（1）可用带宽（~ 500MHz），（2 ) 微波传播特性（随着频率的进一步增加，雨衰变得更加严重），以及 (3) 所需的天线尺寸（大致与频率成比例）。 讨论是在高级别的一般信息中提供的。 实际设计需要更深入的产品开发知识和专业知识。
设备 本笔记中讨论的器件是 CEL 的低噪声晶体管 CE3512K2。 它采用最先进的 GaAs 假晶高电子迁移率晶体管 (pHEMT) 技术制造，可提供卓越的噪声性能。 此外，CE3512K2 采用中空气腔封装结构，显着消除了与封装材料相关的射频功率损耗。 为了使器件成本与商业应用保持一致，CE3512K2 的腔体封装采用非气密密封。 因此，建议 PCB 组装采用免清洗助焊剂焊接工艺（详情请参阅 K2 和 K3 封装器件推荐的助焊剂和清洗条件 ）。 作为替代方案，采用模制塑料封装的 CE3514M4 不需要非清洁助焊剂。 其噪声系数略高于 CE3512K2。
CE3512K2 专为 Ku 波段 LNA 应用而设计。 当用于更高频率的振荡器设计时，它还表现出出色的相位噪声特性。 一个典型的例子是多普勒雷达应用中的 24GHz 振荡器。
偏置电路 图 1 显示了用于 GHz 范围内射频放大器的场效应晶体管 (FET) 的典型偏置方案。 由于栅极在直流时处于高阻抗状态，因此只需要考虑漏极的偏置电路。 电感值通常选择得足够高，以便在工作频率下提供足够的 RF 隔离，尽管在某些情况下，偏置电路中的电感器也可以是匹配网络的一部分。 分流电容提供了一个低阻抗点，作为一个低通滤波器来过滤来自直流电源的噪声和其他不需要的信号。 随着频率的增加，电感器和电容器中的寄生效应变得占主导地位。 因此，对于工作在 10GHz 以上的放大器，基于传输线的组件通常用于偏置电路和匹配电路。
图1 FET 的典型 LC 偏置电路（未显示匹配网络）
众所周知，四分之一波长（表示为 λ / 4 ）传输线将短路转换为开路。 该特性用于偏置电路设计，其中实施 λ / 4 传输线来代替电感器以实现射频隔离。 原则上，这种技术没有低频限制。 然而，在实践中，由于 PCB 尺寸的限制，它通常用于以千兆赫及更高频率运行的电路中。 对于并联电容器，有两种常见的传输线实现方式，即矩形和径向开路短截线。 可以使用通过 λ/4 传输线的阻抗变换的相同概念来理解矩形短截线的作用。 在这种情况下，开路转换为短路。 径向短截线的分析要复杂得多。 几乎， 径向短截线所需的长度（半径）比开路到短路转换的矩形对应物短。 此外，在径向短截线的情况下，低阻抗点被很好地定义，因为它在与直通传输线的接口处的宽度很窄。 我们将使用径向短截线来说明本说明中的电路性能。
隔直电容 与任何晶体管电路一样，CE3512K2 放大器电路的输入和输出通常都需要隔直电容。 在 12GHz 时，一个典型的贴片电容有两个不良影响： 1) 输入电容的插入损耗可高达几分贝，直接使噪声系数降低相同的量； 2) 电容器的寄生效应使匹配网络设计复杂化。 虽然可以使用旨在将这些影响降至最低的特殊高频电容器，但它们通常很昂贵。 幸运的是，对于 LNB 应用，不需要输入隔直电容器，因为 LNA 电路通常与自然直流隔离的波导组件接口。 在输出端，通常采用基于传输线的带通滤波器来抑制带外噪声。 这种类型的滤波电路通常也是直流隔离的，无需隔直电容。 在这种滤波器不实用或不需要的情况下，在输出端串联一个电容对电路性能的影响很小，因此是可以接受的。
在原型设计阶段，由于测量仪器通常是直流耦合的，因此没有直流电容器的电路会给噪声系数测量带来问题（也可能是 S 参数测量）。 一个常见的实用解决方案是在 DUT 和仪器之间插入一个隔直元件或偏置三通。 然后可以通过从测量的噪声系数中减去输入直流模块的插入损耗来估算 DUT 的噪声系数。 请注意，此过程仅在幅度上校正 DC 块的影响。 与相位变化相关的测量不确定性仍然存在。 如果需要更准确的测量结果，可以实施涉及相位校准的更复杂的过程。
匹配电路 在设计 LNA 输入匹配网络时，众所周知，完美的输入回波损耗和最小噪声系数（ S 参数文件中提供的 NF min ）通常不能同时实现。 商业产品的典型程序是首先确定回波损耗的最小规格（通常认为 10dB 是可以接受的），然后设计匹配以在回波损耗规格下实现最佳可能的噪声系数。 对于 CE3512K2，回波损耗和噪声系数的两个匹配点在 12GHz 处非常接近，如图 3 所示。这并非巧合，因为该设备是专门为该频段设计的。
对于 10 GHz 以上的频率，匹配网络通常仅由传输线组件组成，通常是串联传输线和开路短截线。 可以使用多个短截线来改善带宽中的频率响应。
仿真结果 实践中的设计通常从使用噪声和 S 参数的仿真开始，然后进行基准调整以优化性能。
图 2 显示了使用 CE3512K2 的 12GHz LNA 的原理图。 该设计结合了上面讨论的这些考虑因素。 增益、S21、输入和输出回波损耗、S11 和 S22 以及噪声系数的仿真结果如图 3 所示。请注意，该设计实现了良好的输入回波损耗，而噪声系数仅略高于 NF min ( 0.02dB）。 在输出端，在没有任何匹配的情况下实现了适度的 S22。
图 2 使用 CE3512K2 的 12GHz LNA 仿真设置
图 3 仿真结果
在实际产品开发中，由于元器件/器件的各种不完善和电路实现的限制，设计过程要复杂得多。 虽然仿真显示噪声系数约为 0.5dB，但考虑到所有因素，噪声系数为 1dB 或略低的产品规格通常被认为是出色的。 然而，本说明中概述的注意事项与实际应用相关。
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变色卡
千斤顶
