兩路合成式LNA的噪聲系數分析與設計*

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

在檢測微弱信號時，為了提高系統的接收靈敏度，往往在接收機前端加低噪聲放大器以減小整個系統的噪聲系數，尤其是接收靈敏度較高的接收系統，對前級的噪聲系數要求更高。目前，多路合成式接收機已越來越多地應用于雷達和導彈系統中[1]，在各路輸入端陣列天線的性能及接收到的信號幅度一致情況下，影響系統噪聲系數的因素在文獻[1]中已進行了定性分析。在某設備的應用中，為了在不同的姿態中均能接收到信號，在其頭、尾部均裝有相差45°角的兩接收天線，工作時兩天線接收到的信號幅度差別大，主通路為天線信號強的一路，此時得出的結論是不一樣的。同時，前期設計出來的產品在進行噪聲系數測試時發現，即使是完全對稱的設計，同一套兩端的噪聲系數大小不同，甚至有時無法體現噪聲系數的特性；不同套間的噪聲大小也有差異。本文針對應用于某設備中的兩路合成式低噪聲放大器，分析討論了兩路放大器的增益不一致性以及輸入兩端信號幅度不一致時對噪聲系數的影響。

2 增益對噪聲系數影響的理論分析

兩路低噪聲放大器合成式系統，其噪聲系數的計算公式為[2]

(1)

式中，ΔNi為放大器內部噪聲，Gi為放大器的增益，Si為輸入信號功率，So為輸出信號功率，Ni為輸入噪聲功率。

式(1)表明，合成后的噪聲與兩路放大器的輸入信號功率、輸入噪聲功率、放大器的增益及放大器的內部噪聲有關。一般情況下，兩路放大器的器件是同一型號的，為方便計算，視ΔN=ΔN1=ΔN2。

2.1 增益不一致對噪聲系數測試的影響

以第二支路輸入端接負載到地，測試第一支路輸出噪聲系數為例，此時的輸入端信噪比只有Si1/Ni1一項，式(1)可寫成：

(2)

令G2=αG1，則式(2)可表示為

F=1+α+2ΔN/NiG1

(3)

再令α=1+Δ，χ=ΔN/NiG1，則式(3)可寫成

F=2(1+χ)+Δ

(4)

當Δ=0，式(3)可寫為

F=2(1+χ)=3+10 lg (1+χ)(dB)

(5)

式(5)表示第一支路噪聲系數比單路放大器噪聲系數大3 dB，10 lgF-3，即為第一支路的輸出噪聲系數。

以0.5 dB的單路放大器的噪聲系數為例，當測試出來的噪聲系數惡化±0.1 dB時，代入式(4)，計算出Δ≈±0.05，即第二路增益在第一路增益基礎上變化±5%時，噪聲系數惡化±0.1 dB。

2.2 輸入端均接天線時，增益不一致對噪聲系數的影響

為方便分析，視兩天線的性能完全一致，即Ni=Ni1=Ni2，令G2=αG1,Si2=βSi1，代入式(1)得：

(6)

當α=1時，代入式(6)，此時噪聲系數與輸入信號幅度無關。

當α≠1時，式(6)可寫成

(7)

合成輸出噪聲系數大小與α、β相關。

同樣，以0.5 dB的單路放大器的噪聲系數為例計算。當β=1，即兩支路輸入端天線接收到的信號幅度一致時，可計算出±0.1 dB噪聲系數偏差時第二路增益在第一路增益基礎上變化±52%左右，也就是說此時噪聲系數對兩路增益的一致性要求不高，可高達3 dB的偏差；當β=0.01，即第二支路天線接收到的信號幅度比第一支路天線接收到的信號幅度小20 dB時，可計算出±0.1 dB噪聲系數偏差時，第二路增益在第一路增益基礎上變化±5%左右，即表明信號幅度差20 dB以上時，噪聲系數等效2.1節的分析。

3 兩路合成式噪聲系數的ADS分析

上面理論分析了增益對測試及實際使用對輸出噪聲系數的影響。為了和理論計算進行比較，仿真時所選用的器件均視為理想狀態。下面只通過ADS仿真軟件驗證在測試試驗情況下兩路放大器的增益變化對輸出噪聲系數的影響。

采用兩路增益為26 dB、噪聲系數為0.5 dB、輸入輸出駐波為理想狀態下的放大器(LNA1和LNA2)及理想狀態下的兩路等功分器組成的電路模型，通過改變輸入端的狀態及放大器部分參數，利用ADS仿真軟件，觀察其對噪聲系數的影響，具體結果如圖1和圖2所示。

圖1 一路接負載時的噪聲系數仿真結果Fig.1 Simulation result of the noise figure when a channel is connected with load

LNA1接源、LNA2接負載到地，得到第一支路輸出噪聲系數大小如圖1(a)所示，噪聲系數為3.56 dB，即表示第一支路輸出噪聲系數為0.56 dB。把LNA2的增益減小到24 dB，其它條件不變，得到第一支路輸出噪聲系數如圖1(b)所示，噪聲系數為2.66 dB，小于3，表示此情況下第一支路的輸出噪聲系數為-0.34 dB，結果為負數，已經不能準確反應第一支路的實際輸出噪聲系數。把LNA2的增益增加到28 dB，其它條件不變，仿真得到第一支路的輸出噪聲系數如圖1(c)所示，噪聲系數增大到4.56 dB，第一支路輸出噪聲系數為1.56 dB，而此值也不能準確地反應第一支路的實際輸出噪聲系數值。

圖2 改變第二支路的增益和輸出駐波對噪聲系數的影響Fig.2 The effect of changing the second channel’s gain and output standing wave on the noise figure

如果第一支路放大器增益不變，第二支路放大器的增益變為25.8 dB，結果如圖2(a)所示、合成后輸出噪聲系數為3.46 dB；如果第一支路放大器增益不變，第二支路放大器的增益變為26.2 dB，結果如圖2(b)所示，合成后輸出噪聲系數為3.66 dB；如果兩支路放大器的增益均不變，把第二支路的輸出駐波由1改為1.5，則結果如圖2(c)所示，合成后輸出噪聲系數為3.66 dB。以上3種情況下，輸出噪聲系數均惡化0.1 dB，所以，兩路放大器的增益不一致性控制在±0.2 dB(5%)左右，兩路放大器的輸出駐波差別較小時，可以將合成后的輸出噪聲系數誤差控制在±0.1 dB以內。

4 工程應用設計

某設備中要求設計兩路合成式低噪聲放大器，其技術指標要求：增益為(23±2)dB；噪聲系數小于2 dB；輸入輸出駐波小于2。

圖3 電路圖與仿真實測結果Fig.3 Circuit diagram and the simulation measurement results

電路實現：低噪聲放大器選用的是WANTCOM公司的WHM14-3020AE，其噪聲系數為0.5 dB，增益為31 dB，駐波為1.22；等功率合成器采用微帶結構。微帶片選用的是介電常數為9.2、厚度為1 mm的軟基片TMM10。電路布局應考慮：功率合成器前的兩路放大器電路成對稱結構，在放大器與功率合成器間加π型衰減網絡以減弱兩者間的相互影響，改善放大器的輸出駐波并且調整兩路放大器輸出增益的不一致。在功率合成器之后加π型衰減網絡改善輸出駐波。圖3為第一支路接源，第二支路接負載到地情況下的仿真與實測結果，實線為仿真值，虛線為實測值。噪聲系數采用安捷倫公司的噪聲測試儀N9875A及噪聲源N4000A測試得到，而輸入輸出駐波及增益利用矢量網絡分析儀MS4623B測試得到。由圖可見，實測結果與仿真值相吻合。

5 結 論

結合理論分析計算與ADS分析仿真[3]，確定了兩路放大器的增益誤差控制在±5%左右，對測試或接兩路天線接收信號幅度差20 dB以上時的噪聲系數誤差可控制在±0.1 dB以內，并得以驗證，可為系統確定合成式低噪聲放大器的技術指標的具體要求提供指導。

參考文獻：

[1] 王寒松,李加術.多路合成式接收系統雷達整機噪聲系數分析[J].零八一科技,2001(2):26-29.

WANG Han-song,LI Jia-shu.Anslysis of radar system noise figure in the milti-channel combined receving system[J].081 Technology,2001(2):26-29.(in Chinese)

[2] 顧其諍，等.微波集成電路[M].北京：人民郵電出版社，1978.

GU Qi-zhen，et al.Microwave integrated circuit[M].Beijing:Post & Telecommunication Press,1978.(in Chinese)

[3] 陳艷華，等.ADS應用詳解—射頻電路設計與仿真[M].北京:人民郵電出版社,2008.

CHEN Yan-hua，et al.Detailed analysis of ADS application-Design and simulation of RF circuit[M].Beijing:Post & Telecommunication Press,2008.(in Chinese)