宾峰1，2 ，贺俊霞1，2 ，陆勤龙1，2 ，王自力1，2 ( 1． 中国电子科技集团公司第十六研究所，合肥 230088; 2． 中国电子科技集团公司超导电子技术重点实验室，合肥 230088)

摘要: 通过对核心低温器件进行低温参数测试的方式进行选型和设计，制作了一款 MMIC 集成结构的 Ka 频段 低温限幅放大器，测试结果表明，在物理环境温度 20 K 下，工作频带 32 GHz ～ 38 GHz 范围内，其噪声温度 Te≤73 K，增益≥16． 8 dB，限幅耐功率电平≥2 W，能够有效提升接收机系统灵敏度和抗烧毁能力。

关键词: 低温限幅放大器; 噪声温度; 参数测试

Design of a Ka － band cryogenic limited amplifier

Abstract: A Ka － band cryogenic limited amplifier was designed and fabricated． The test results show that at the environment temperature of 20 K，with band － width range of 32 ～ 38 GHz，the noise temperature of the amplifier is lower than 73 K， the small signal gain is higher than 16． 8 dB，and the power tolerance level is higher than 2 W，which can effectively improve the sensitivity of the receiver system and the ability to resist microwave consuming

Keywords: Cryogenic limited amplifier，Noise temperature，Parameter measure

1 引言 

    限幅低噪放作为雷达接收机的重要部件，其 性能是决定接收系统灵敏度和动态范围的关键。 因此，研究具有高承载功率、低噪声系数的低噪声 限幅放大器对提升雷达系统装备探测威力具有重 要意义。

    由于毫米波波长短，易获得大的信号带宽，使 得毫米波系统具有高精度探测、高分辨率测量等 优势［1］。Ka 频段处于毫米波低端，属于大气传输 窗口频段，相比于毫米波高端来说传输损耗较低， 而对于微波频段来说则具有更高的精度与更大的 通信速率与容量，且国内的研究较为成熟，技术难 度相对较小。因此，高灵敏度 Ka 频段接收机是 其发展的重点，而高性能的低温限幅放大器则是 实现的关键。

    本文采用 MMIC 集成的方式设计了一款 Ka 频段低温限幅放大器，并对限幅芯片、LNA 芯片 及集成模块进行了低温参数测试，其具有工作带 宽宽、噪声系数低、功率承载能力高等优点，能够 满足具备抗过载能力的高灵敏度接收机的要求。

2 组成及设计思路 

    Ka 频段限幅放大器采用的是 MMIC 集成的 方式，因此其匹配电路相对简单，芯片间采用 50Ω 阻抗微带，通过金丝实现电气互联［2 － 4］。其组成 主要包含 Ka 频段输入/输出波导 － 微带探针、限 幅芯片、LNA 芯片，其电路结构组成见图 1。

图 1 Ka 频段低温限幅放大器电路结构 Fig． 1 Circuit of Ka － band cryogenic limited amplifier

    可以将低温限幅放大器的结构组成等效为级 联网络，其关键指标为级联噪声温度 Te，可用下 式表达:

其中，Ten为第 n 级网络的等效噪声温度; Gn 为第 n 级的增益。

    从其组成结构可以看出输入波导 － 微带探 针、限幅芯片的损耗以及 MMIC LNA 自身的噪声 是构成 Ka 频段低温限幅放大器噪声的主体。因 此，本文研制的工作于 32 GHz ～ 38 GHz 频段的低 温限幅放大器，其设计重点是波导 － 微带过渡、限 幅芯片的低温插损特性，LNA 芯片的低噪声特 性，以及芯片互联工艺，上述几点是实现 Ka 频段 低温限幅放大器低噪声指标的关键。

3 低温限幅放大器详细设计 

3． 1 波导 － 微带探针过渡

    E 面探针与 H 面探针是目前较为常用的两种 波导 － 微带过渡形式［6，7］。其耦合探针的辐射阻 抗是探针长度、宽度及探针到波导短路面距离的 函数，同时微带探针具有容性电抗，可用高阻线抵 消其电容效应( 见图 2 左) ，达到降低损耗的目 的。因此，基于三维电磁场仿真工具对探针方向 与波传播方向垂直的探针结构进行电磁仿真，其 结构模型和仿真结果如下:

    该过渡采用背靠背结构，微带基片选用 Duriod 5880( εr = 2． 2，h = 0． 127 mm) ，探针与 50 Ω 主 线间通过高阻线和阻抗变换实现匹配。通过仿真 结果看出，在 32 ～ 38 GHz 频带内插损小于 0． 25 dB，回波损耗优于 － 30 dB，该过渡结构具有宽带 低损耗和良好的驻波特性。

3． 2 芯片设计选型及低温参数测试 

    由于放大器在极低温下( － 253 ℃ 以下) 工 作，芯片的低温工作稳定性及低温参数就是设计 选型的依据和重点。因此，本文采用低温参数测 试平台对所选用的限幅芯片及 LNA 芯片进行了 低温测试，以验证其在极低温下的工作稳定性，同 时测量其损耗及噪声特性。

    对于限幅芯片来说，主要对其低温 S 参数［8］ 进行测试( 耐功率指标随组件测试) ，可采用低温 TRL 校准电路和测试夹具在低温探针台上就可实 现直接测试。

    本文选用的限幅芯片采用 GaAs PIN 工艺，为多级 PIN 结构，利用 PIN 管的寄生参量以及零偏 或反偏时的阻抗特性，实现宽带低损耗。其测试 结果如下:

    从测试结果看出，工作带宽内限幅器的插入 损耗在 2 dB 左右( 高端损耗变大) ; 常温( 300 K) 与低温( 20 K) 测试其损耗变化较小，在 0． 2 dB 以 内; 低温下驻波≤1． 8，较常温出现一定程度的恶 化; 同时还对其进行了 24 h 稳定性和多次低温测 试，其偏差均保持在 ± 5% 以内，低温性能稳定性 良好。

    低温 LNA 采用 MMIC 单片电路构建，电路采 用三 级 级 联 结 构( 见 图 6) ，选 用 OMMIC 70nm GaAS 工艺线制备。

    同样对其进行了低温在片测试，其 S 参数及 噪声参数测试结果如下:

低温下，工作频带内( 32 GHz － 38 GHz) 增益 约 25 dB，噪声温度在 35 K 以内，且频率高端较低 端恶化近 10 K。

3． 3 芯片电路互联匹配设计 

    级联限幅芯片、LNA 芯片电路需安装在腔体 底部，通过金丝键合到50 Ω 微带上，其接地效果、 金丝长度、焊点大小等直接影响放大器性能。本 文采用的限幅芯片和放大器芯片厚度均为 0． 1 mm，因此微带电路也选取 0． 127 mm 厚的 Duriod 5880 基片，以保证键合金丝的良好过渡，避免引 入不必要的回波损耗。

    由于芯片电路的互联采用金丝键合，其微带 的开路效应会带来附加电容，且金丝阻抗较高，附 有较大的电感效应，会产生级间互联的不连续效 应。因此，为降低不连续效应引起的性能恶化，采 用了多根金丝飞线结构，且通过控制其跨线长度 和弧度来达到良好匹配效果。

4 测试结果分析 

    Ka 频段低温限幅放大器的测试级联链路主 要由真空密封窗、输入输出隔热波导、低温隔离器 及待测件( 低温限幅放大器) 组成，并在 20 K 低 温测试平台上完成了增益、噪声及功率加载测试。

    32 GHz ～ 38 GHz 频段内，在杜瓦外部测试低 温限幅放大器增益为 16． 8 dB ～ 19． 9 dB，该结果 需补偿前后隔热波导( 0． 3 dB /0． 8 dB) 、低温隔离器( 0． 4 dB) 及真空窗口( 0． 05 dB) 的损耗。因 此，组件增益为 18． 4 dB —21． 5 dB。

    对于噪声的测量，噪声系数通常用分贝数 表示:

    并根据放大器等效噪声温度 Te与噪声系数 NF的关系:

T0为环境温度，一般取 290 K。

    根据公式( 1) ～ ( 3) ，即可通过测试整体噪声 温度［5］( 通过噪声分析仪直接测试) ，再扣除真空 密封窗、隔热波导和低温隔离器的损耗及噪声贡 献，即可计算出低温限幅放大器在 20 K 下的等效 噪声温度，其测试计算表如表 1 所示:

    上表中总等效噪声温度( 102． 2 K) 为测试 值，限幅放大器模块噪声( 72． 63 K) 为计算值。 通过对组件各频点常温噪声和和低温系统噪声的 测试及计算，得到其常温、低温噪声对比曲线如图 8 所示:

    Ka 频段限幅低温放大器在 6 GHz 带宽内其 噪声温度≤418 K( 约 3． 9 dB) @ 290 K，≤72． 63 K ( 约 0． 98 dB) 。

    本文通过对典型频点加载连续波功率的方式 进行低温限幅放大器的低温耐功率试验。分别对 32 GHz、36 GHz、38 GHz 频点加载 2 W( 33 dBm) 以上的连续波信号，保持加载时间 30 min 以上， 然后测试试验前后的各频点的增益、噪声指标变 化情况，其试验数据如表 2 所示。

    从注入功率信号前后低温限幅放大器的测试数据中可以看出，其结果偏差在误差范围以内，低 温限幅放大器耐功率指标满足 2 W 以上的抗烧 毁要求，能够正常使用。

5 结论 

    低温限幅放大器采用背靠背波导 － 微带探针 过渡结构，以及通过低温参数测试的方式来对核 心低温器件进行选型设计，同时结合 MMIC 芯片 微组装工艺将限幅器芯片与 LNA 芯片集成封装， 在制冷环境 20 K 下，实现了工作带宽 32 GHz ～ 38 GHz 范围内噪声温度≤72． 63 K，增益≥16． 8 dB，限幅耐功率≥2 W 的 Ka 频段低温限幅放大 器。在保障毫米波接收系统抗烧毁的前提下，大 幅降低了系统噪声，为毫米波雷达系统实现超远 距离探测、高分辨率测量提供了一种有效途径。

参考文献: 

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［2］Mark McCulloch． A low noise Ka － band amplifier for radio astronomy［C］． Proceedings of the 42nd European Microwave Conference，Amsterdan，Netherlands，2012． 

［3］Hou Y，Wen R，Li L，et al． Analysis and optimum design of impedance matching for Ka － band cryogenic low noiseamplify － ers［C］． Microwave Conference，2009， APMC 2009． Asia Pacific． Singapore: IEEE，2009: 1593 － 1596． 

［4］徐玺年，毫米波超低噪声放大器的研究与设计［D］． 成都: 电子科技大学，2013． 

［5］王自力，刘敏． Ka 波段低温接收前端设计［J］，低温与 超导，2014，42( 3) : 6 － 10

［6］贺俊霞，张迎春． Ka 频段低温低噪声放大器的设计 ［J］，低温与超导，2015，43( 12) : 85 － 87． 

［7］朱大红，齐锋． Ka 波段波导 － 微带转换器的设计［J］． 微波学报，2008，24( 10) : 141 － 144． 

［8］何川，王自力． 一种直接提取 HEMT 器件小信号等效 电路低 温 参 数 的 方 法［C］． 重 庆: 微 波 毫 米 波 会 议，2013．