2～4 GHz波段低噪聲放大器的仿真設計

趙玉勝

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610054）

微波低噪聲放大器作為現代電子通信系統中重要組成器件，對整個通信接收系統的接收靈敏度和噪聲性能起著決定性作用。隨著半導體技術和寬帶無線通信系統的發展，低噪聲放大器向著更低噪聲系數、更寬工作帶寬和更高輸出功率方向發展，并逐漸成為設計的熱點。因此，研究設計出高性能的低噪聲放大器具有十分重要的意義。由于高電子遷移率晶體管具有高頻率、低噪聲、大功率等一系列優點，所以用pHEMT制作的多級低噪聲放大器已廣泛應用于衛星接收系統、電子系統及雷達系統。

1 器件選擇

本文選擇標準元器件庫中pHEMT晶體管、電阻、電容和微帶線等無源元件作為設計的參數模型進行電路設計。由于電路增益要求大于20 dB，單級pHEMT功率增益在10 dB左右，考慮到工作頻率很高，如匹配不當會造成級間損耗比較嚴重，所以采用二級放大。由于寬帶設計，所以重點對這一頻段的電路結構和參數進行設計和優化。

寬帶放大器的實現方案有多種，如反饋式、分布式、有耗匹配式、平衡式以及近年來出現的級聯分布式（CSSDA）寬帶放大器等[1]。各種方案有不同的優缺點及其應用場合，因為反觸同時獲得較寬工作帶寬和較好的輸入輸出駐波比，所以饋式寬帶放大器應用較多。但是對于低噪聲放大器的設計而言，阻性反饋網絡的引入會使噪聲系數惡化。由于級聯系統的噪聲系數主要由第一級放大鏈路決定，后級的噪聲系數對系統的噪聲性能影響相對較小。考慮到低噪聲的設計，設計的兩級級聯放大器中第一級按照最小噪聲系數的原則進行設計，實現拓展低噪聲放大器的工作頻帶；第二級中引入漏極到柵極的負反饋網絡，從而使得在整個工作頻段內增益較平坦[2－4]。

式（2）是二端口放大器的噪聲系數的表達式，其中YS=GS+jBS表示呈現在晶體管處的源導納，Yopt表示得出最小噪聲系數的最佳源導納，NFmin表示當YS=Yopt時獲得的晶體管的最小噪聲系數，RN表示晶體管的等效噪聲電阻，GS表示源導納的實部。由式（2）可知，若選擇具有較小的RN值的晶體管，在Ys≠Yopt的條件下，電路整體能夠獲得相對較小的噪聲系數。ATF－54143在VDS=3 V，IDS=40 mA的偏置狀態下，其在2～4GHz的頻率范圍內，可獲得較低的噪聲系數和輸入駐波比。

另外考慮到本設計放大器的增益指標要求達到20 dB，所以電路要采用兩級放大器來實現。

2 直流偏置以及電路設計

放大器的直流偏置網絡決定了晶體管的工作狀態，而且對匹配電路的結構有很大影響，需要在電路設計之初就認真考慮。對pHEMT放大器，一種比較常見的偏置方法是：給pHEMT漏級加一個正電壓，即采取單電源供電方式。本文采用的是圖1所示自偏置結構，柵極通過微帶線接地，源極接電阻R以獲得高于柵極的電位。該結構的優點是采用單電源供電，使電路在使用中更為簡便。電路要求電源電壓為3.6 V，通過適當選擇源極電阻R，令源極電位為0.6 V左右。

圖1 ATF－54143網絡偏置電路Fig.1 Networks passive Biasing of ATF－5414

根據噪聲理論，放大器的噪聲系數主要由第一級放大器的噪聲系數決定，設計第一級放大器的輸入匹配網絡通常采用最小噪聲系數原則。在設計在級間匹配網絡時，要使前級輸入阻抗與后級輸出阻抗匹配，同時后級晶體管獲得較大的增益和較低的噪聲系數。綜合考慮為了獲得較好匹配，通常采用多節微帶線匹配。輸出匹配電路設計主要考慮增益和駐波比，把微波管復數輸出阻抗匹配到負載實數阻抗。優化設計根據此理論，可以實現很小的噪聲系數同時兼顧增益。

為了適當改善放大器增益平坦度，在晶體管柵源之間采用負反饋網絡，一般負反饋網絡為柵源之間的電感、電阻、電容串聯網絡[3－8]。其中反饋電感的作用是對低頻率段信號進行負反饋而對較高頻率段信號影響較小，通過在反饋支路中串接電感，高頻時反饋支路阻抗增大，反饋量減少，低頻時反饋支路阻抗小，反饋量較大。這樣可以拓寬頻帶和改善增益平坦度。負反饋網絡電路圖如圖2所示。

3 整體電路以及仿真結果

圖2 負反饋網絡電路圖Fig.2 Scheme circuit of the negative feedbac

整體電路的優化仍然采用ADS微波設計軟件進行。在對電路進行仿真時，應選取廠家提供的模型，這樣才能獲得和實際電路最接近的仿真結果。整體電路優化后的增益如圖3所示。電路LAN的增益達到20.5 dB。噪聲系數如圖4所示，在2～4 GHz頻段噪聲系數小于1.1 dB。噪聲系數在高頻段惡化的主要原因在于器件寄生的噪聲性能會隨著頻率升高而逐漸惡化。因此，在電路設計時，需要在各方面與噪聲進行折中，取得最優結果。輸出駐波比如圖5所示，輸出駐波比為1.8，很好地滿足了設計要求。

圖3 整體LAN優化后點的增益Fig.3 Gain of the whole LAN

圖4 整體LAN優化后的噪聲系數Fig.4 NF of the whole LAN

圖5 LAN的輸出駐波比Fig.5 Output VSWR of LAN

4 結 論

通過分析，得到了適用于低噪聲放大器的pHEMT選擇的基本原則。電路采用二級級聯結構，利用微帶電路實現匹配，并運用EDA軟件對電路進行優化。最后仿真結果顯示，該電路在2～4 GHz頻段內，可達到20 dB以上增益；噪聲系數小于1.2 dB。該電路滿足接收前端對LNA提出的要求，具有廣闊應用前景。

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