随着超导材料应用的发展,采用高温超导材料制备的滤波器表现出前所未有的高性能. 高温超导滤波器与低温低噪声放大器(LNA) 组成的射频接收机前端具有广阔的应用前景[1]。在国内，自行研制的超导接收机前端已经在移动通讯基站中试运行，并获得良好效果。超导接收机前端是由高温超导滤波器、LNA、制冷机、真空腔及控制电路组成，如图1所示。由于LNA工作在和超导滤波器相同的低温度的环境下，放大器电路的热噪声相当低。在晶体管选取方面，HEMT(高电子迁移率场效应晶体管)很低的噪声和良好低温性能非常符合标准要求。由于可获取商业用晶体管的S参数仅限于常温至-55oC, 对制备低温70K下工作的放大器带来一定的问题。

  本文选用atf-54143型晶体管，采用常温下晶体管的S参数进行设计，并主要是采用集总元件实现电路匹配。详细分析了如何设计匹配电路来满足放大器各项指标要求，并提出了低温度的环境下的调试方法。

  将放大器电路按图2作简化，由于1.9GHz-2GHz属于L波段，选择集总元件作匹配电路能有效减小电路尺寸。设计方法同常温下设计低噪声放大器的方法一致，通过微波仿真软件ADS帮助计算，考虑功率匹配，噪声匹配和驻波匹配，在保证放大器绝对稳定的前提下找到平衡点，使得各指标满足性能要求。

  输出匹配电路为了稳定性的考虑通常要加入损耗元件，其功率匹配和驻波匹配不再一致，设计的主要任务是得到要的ΓL值的同时改善输出驻波匹配。

  根据设计的电路绘制PCB版图，焊接元件，封装等一系列步骤以后，研制出需要的放大器（图3）。在70K超导温度下测量，发现其性能和设计有较大偏差，这一种原因是由于实际电路中大量短微带线的影响，各分立元件的离散性，和软件模拟晶体管性能的误差。更重要原因的是晶体管特性在如此低的温度下发生的显著的变化。根据德国波鸿大学Helmut Piel 教授小组对atf54143晶体管低温特性的测量，其S参数较常温都呈现往高频偏移的特性[3]。

  由此可见，根据实测结果对电路的部分元件做调整是必需的。调试的步骤可归纳为低温下测量 ━ 理论计算偏差值 ━ 常温下置换元件 ━ 低温下测量的循环过程，直到获得满意的性能。

  放大器的调试主要是匹配点的调试，借助Smith圆图将使这样的一个过程变得直观方便。以输入驻波为例，根据低温下网络分析仪测得的Γ1值利用史密斯圆图可以反推Γin值，然后计算使Γ1=0的C1*,L1*取值。有必要注意一下的是，放大器两端的引线和SMA接头的长度lin必须加入计算。图4形象地展示了计算的过程。

  C1，L1作为贴片元件，其元件值都是分立的，常常会出现元件系列中没有需要的元件值的情况，这给调试带来一定的困难。采用可调微带电抗能很好的解决这样的一个问题。图4中给出了可调微带电容的结构，一个电容后端接了一段开路微带线，根据微带线理论，此支路等效阻抗Z1由（3）式决定：

  其中，β由微带线宽高比W/h和介质介电常数决定，通过改变微带线宽W能改变参数β。于是我们大家可以通过调节微带线的L与W来微调接入阻抗Z的值。这样的结构相当于一个连续可调的电容C’。增加这样一个可调微带电容结构以后，支路电容值能够最终靠切割或者粘贴微带线连续可调，给低温调试带来极大的便利。类似的，若使用一段末端接地的短微带线作为支路，则相当于一个可调电感，一样能用来调试放大器电路。

  上述调试方法适用于L波段，对于更高的微波频段，电路分布效应进一步增加，需要更精确的调试方法。最后，经过调试的低温低噪声放大器在70K温度下1.9GHz-2GHz通带内满足增益大于18，输入输出反射损耗小于-20dB，噪声低于0.5dB，满足性能要求并且和超导滤波器匹配良好（图5）。

  本文介绍了低温下低噪声放大器的设计调试方法。总结了综合考虑功率匹配，驻波匹配和噪声匹配的设计思路。针对低温下放大器性能和常温相比有很大改变的情况，提出了利用Smith圆图和微带可调电容结构的调试方法，并成功研制出工作在高温超导滤波器系统中频率范围为1.9G-2GHz的低温低噪声放大器，其各项指标均达到一定的要求，该方法对于L波段均适用。

  1． 介绍工作在超低温(70K)下的超导滤波器系统中低噪声放大器的研制方法。

  [3] 王昕，王凡，张晓平等. “场效应器件低温特性与低噪声放大器”.低温物理学报，2005;27(2):159-164.

  [4] 王昌林，李东生，张勇. “一种射频CMOS低噪声放大器的设计”. 微计算机信息，2006.12:117-119

  蔡康康 男，1983年11月生于浙江，2004年毕业于清华大学电子工程系并获清华大学学士学位。现为清华大学物理系硕士研究生，研究方向主要为超导系统中低噪声放大器设计。

  < 联系电线- ),男,清华大学物理系博导,研究方向：超导物理的基础研究，超导电子学应用研究。