应用于太阳黑子观测的低噪声放大器设计

【摘要】应用于太阳黑子观测的深空接收机频率在短波和超短波段，该波段干扰和噪声非常密集。低噪声放大器是深空接收机系统中最重要的模块之一。本文讨论了深空探测接收机的噪声来源，并主要从前端降噪的角度出发，研究了低噪声放大器的设计与实现，此外为后端降噪给出了方案。本文所设计的低噪放工作频率为10MHz～100MHz。测试结果表明，低噪放增益为50dB，噪声系数小于2.70dB，最小噪声系数为2.1dB，能够满足深空探测系统的需求。

【关键词】射电天文；降噪；低噪声放大器

1.引言

太阳黑子的观测系统具有接收系统共同的特征，由天线、接收机和数据处理部分组成。天线是采用对称加载偶极子方式设计的，驻波（VSWR）在15MHz～100MHz频率范围内小于3。

太阳黑子的观测属于低频甚低频段（10MHz～100MHz），该频段内的无线电波是短波和超短波。短波频率范围通常在1.6MHz～30MHz之间，世界上许多国家利用短波频率来进行世界范围的广播传输。可见，在10MHz～100MHz的频率范围内，噪声、干扰非常多。在观测太阳黑子等深空目标时，应尽力避开或减小这些干扰和噪声。而对于一些接收机不能避免的噪声，应在后级通过软件处理来消除。

目前国内对低噪放的研究已有不少，但是覆盖10MHz～100MHz范围的不多。10MHz～100MHz是短波和超短波段，干扰密集，随机性大。该系统的相对带宽达到1.6，远大于美国联邦通信委员会提出的“超宽带”相对带宽0.2的标准。超宽带会带来输入噪声迅速增加、限制高灵敏度的问题；同时，超宽带会有较强的窄带干扰（NBI），强窄带干扰会淹没信号，限制动态范围。因此，有必要对短波、超短波段的低噪放进行研究。

本文就接收系统的前级和后级降噪进行了一些研究。

2.前端降噪——低噪声放大器设计

接收机的前端是一个低噪声放大器。根据系统级联的噪声公式，前级的噪声系数对整个接收机系统的噪声有着决定性作用。整个系统的噪声系数基本上取决于第一级的噪声系数。因此往往选用最佳噪声匹配的原则进行设计。

2.1 设计指标

频率范围：10MHz～100MHz

增益：50dB

噪声系数：NF<2.5dB

回波损耗：S11<—10dB

2.2 方案设计

2.2.1 芯片选型

本设计采用三级放大的方式，为满足NF≤1.5dB的要求，第一级的噪声系数特别重要。第一级放大器选用mini公司的PMA5453+或者ANALOG公司的ADI5531。两个芯片各有优点：PMA5453+的噪声系数明显比ADL5531低，但是其工作频率范围是从50MHz开始。ADL5531毕竟是从20MHz开始，基本能覆盖本文低噪放的频率范围。因此，决定两个芯片都选用，可以对做出的低噪放板进行比较。

第二、三级芯片选用Hittite公司的HMC478SC70（E），它的工作频率能够覆盖接收机的范围，有20dB的固定增益。

2.2.2 芯片外围电路

三级放大的偏置网络采用单级供电，结构简单，便于调整。每级均采用输出端馈电的方式提供芯片工作电压。去耦电容用10nF的电容。高增益放大器比较容易自激，在这里板子的尺寸要小于最高频率的半波长（1.5m），能够满足要求。

2.2.3 基于ADS2009的仿真

利用数据手册给出的参考电路，在ADS2009平台下搭建整个低噪放模块，对三级放大器的S参数和供电偏置电路进行分析、仿真、优化。ADS仿真结果表明，20MHz以后增益平坦度良好。15MHz以后回波损耗较小。

2.3 原理图绘制与制板

由于涉及增益、噪声、回波损耗等指标，直接计算比较复杂。使用ADS进行参数优化，最终得到电路图如图1所示。

2.4 实际测试及分析

2.4.1 测试仪器

Agilent E5071B网络分析仪

Agilent N8975A噪声系数测试仪

2.4.2 空间频谱

了解测试环境中的频谱分布很有必要。将频谱仪的输入接一根电缆，电缆的另一头接一段电线（长1.5m左右）作为天线，接收空中的无线电信号。所测得的频谱图如图2所示。

扫频范围设为5MHz～110MHz，图中显示的峰值出现在101MHz，功率为—52dBm。在90MHz～100MHz区间里面，频率干扰较多。这里的干扰多为广播信号。为避开这些干扰，考虑将低噪放板放入屏蔽盒内。

2.4.3 实物图

低噪放板的实物图如图3所示。

2.4.4 S参数的测量

这里为防止仪器饱和损伤，在输出端加上了20dB衰减器，故真实增益值应为测试值加上20dB。由图4、图5可以看出：

两块板增益值均在39dB～55dB，能达到指标要求；低频时时的S11较大，其中以PMA5453+为第一级的低噪放板在13MHz时S11≈—3dB，而以ADL5531为第一级的低噪放板S11单调递减，最大值出现在10MHz处，为—4.29dB，大概在27MHz时减小到—10dB以下。这在工程当中是比较实用的。

以PMA5453+为第一级的低噪放S参数测试结果如图4所示。

以ADL5531为第一级的低噪放S参数测试结果如图5所示。

2.4.5 噪声系数的测量

噪声系数分析仪与网络分析仪增益的定义不同。噪声系数分析仪中增益定义为信噪比增益，而网络分析仪中增益定义为电信号的增益。因此两者计算出的增益值有一定的出入。其中图7是在输出端接入20dB衰减之后测的，因此真实增益值应加20dB。

由图6、图7可以看出：

⑴图6的测试环境中有干扰，未装盒的低噪放板不能克服这些干扰；

⑵以PMA5453+为第一级的低噪放板在频率较低时噪声系数较大，而以ADL5531为第一级的低噪放板噪声系数曲线在工作频段内比较平坦，数值也小，优于PMA5453+板。

以PMA5453+为第一级的低噪放噪声系数测试结果，如图6。

以ADL5531为第一级的低噪放噪声系数测试结果，如图7。

3.后端降噪

虽然人们已经知道太阳黑子爆发平均活动周期为11年，但是黑子的爆发时刻预报很难做到很准。我们考虑对空间频谱进行实时记录的方法，在射电波段观测黑子。首先掌握正常情况下的空间频谱，这包括10MHz～100MHz的各类广播电台。只有对这些电台的分布、强度变化规律了解之后，才能及时发现异常，再针对有异常情况的频谱来进行分析。

后端降噪的工作尚未开展，拟采用以下方法进行：

⑴根据已经掌握的短波、超短波电台的情况，实时监测所接收信号的频谱；设计专用滤波器，剔除相应频点；

⑵利用噪声信号均值为0的特性，在时域上求平均、各通道值求平均；

⑶进行相关处理。

4.工作总结

本文就低频甚低频深空探测接收机的降噪问题进行了探讨。已经完成了低噪声放大器的设计，并设计了后端降噪的方案。低噪声放大器在20MHz～100MHz的带宽内能够达到增益50dB以上，增益平坦度良好。噪声系数在20MHz～90MHz之间为2.1dB，能够满足接收机的观测需求，为深空探测接收机的进一步研究做好了准备。

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