Ku波段低噪聲放大器設計

吳成才　鞏　莉　于慶法　梁青云（北京航天光華電子技術有限公司，北京　100854）

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Ku波段低噪聲放大器設計

吳成才鞏莉于慶法梁青云
（北京航天光華電子技術有限公司，北京100854）

摘要首先，簡單介紹了微波低噪聲放大器（LNA）的研究背景，分析LNA設計的重要現實意義；然后，描述了LNA設計的關鍵點，以及實現的方式和要求，提出了LNA設計的基本思路；最后，設計出了一款適應某動中通衛星通信系統的LNA，包括電路模型建立、射頻電路仿真、PCB電路板實現及相關測試。仿真及測試結果表明，該LNA設計方案達到了預定設計指標要求。

關鍵詞低噪聲放大器，偏置電路，阻抗匹配，電磁仿真

引言

微波低噪聲放大器（LNA）是現代無線通信、衛星收發設備、雷達、電子對抗，以及遙測遙控接收系統等的關鍵部件。LNA作為衛星通信系統中重要的有源電路，其性能對整個接收系統的靈敏度、噪聲范圍和動態范圍有著重要的影響，因此，開展LNA設計研究具有十分重要的現實意義。

1　LNA設計思路及要求

1.1基本設計思路

LNA的實現一般需要經過以下幾個步驟：①根據系統要求明確設計指標；②根據設計指標選取放大晶體管；③確定晶體管直流工作點；④根據直流工作點確定偏置電路設計；⑤判定及改善晶體管穩定性；⑥實現噪聲及增益匹配電路；⑦仿真優化實現預期指標；⑧PCB繪制與投板。其中，④、⑥是LNA設計的核心內容，正常情況下，由于仿真與現實存在差距，以及加工工藝的不確定性，投板回來的LNA還需要經過多次調試與①～⑧的反復設計才能實現預期設計指標。

1.2晶體管選取與穩定性判定

該LNA設計選取NE3210S01場效應晶體管（FET），其相關參數可以從廠家提供的數據表（Data sheet）中獲取，如S參數、噪聲性能等參數文件，可以用記事本將這些參數按照一定的格式寫入，保存為S1P/S2P文件，然后用ADS軟件中Data Items面板中的S1P/S2P模板引用這些文件，該模板就可以作為晶體管的一個S模型進行電路仿真。晶體管的參數將決定晶體管是否穩定，以及晶體管的匹配設置。

穩定性由下式決定：

當|Δ|<1且k>1時，認為晶體管是絕對穩定的。

1.3直流偏置點確定與偏置電路

晶體管直流工作點由ADS（先進設計系統）直流仿真及NE3210S01的Data sheet提供的數據表共同確定，其直流工作點選為VDS=2V，IDS=10mA。

為FET晶體管提供穩定的工作電壓是偏置電路設計的目的與原則，不同的晶體管、不同的直流工作點或不同的系統都會導致偏置電路的設計存在差異。

1.4阻抗匹配

設計阻抗匹配網絡是設計功率放大器的關鍵步驟。在任何一個射頻功率放大器設計中，錯誤的阻抗匹配將使電路不穩定，同時可能會使電路效率降低和線性度變差。匹配電路設計時應同時滿足匹配、諧波衰減、帶寬、駐波、線性度，以及實際尺寸等多項要求。設計多級功率放大器，除了設計輸入、輸出匹配電路外，還要設計級間匹配電路。在功率放大器設計中，輸入和輸出匹配電路基于特定的匹配功能而遵循不同的設計原則。阻抗匹配電路是LNA設計的核心內容和主要技術難點，不同的晶體管或不同的技術指標要求都可能導致阻抗匹配設計存在差異，阻抗匹配電路設計的優劣直接決定著LNA技術指標的優劣。

匹配網絡的確定有兩種方式，一是直接根據晶體管廠商提供的噪聲參數與S參數確定匹配網絡，二是根據ADS中晶體管S參數仿真獲得，在LNA參數誤差允許范圍內，兩種方式確定的匹配網絡都是可取的。本文采用第二種方式來確定匹配網絡。

2　LNA實現

2.1設計指標

表1　LNA設計指標

2.2電路實現

LNA原理圖仿真通過射頻仿真軟件ADS完成，原理圖及版圖如圖1所示。LNA仿真優化結果如圖2所示。LNA PCB版圖如圖3所示。

圖2　LNA仿真優化結果

圖3　LNA　PCB版圖

圖1　LNA原理圖（左）及版圖（右）

仿真結果表明，在工作頻帶（11.7 GHz～12.75GHz）內，噪聲系數NF<0.8dB，增益大于22dB，增益平坦度優于1dB，輸入輸出端口大都在2以下。因此，所設計的LNA的主要技術指標達到了設計要求。

2.3電路板實現

本文設計的LNA電路板主要具有以下8個特點：①采用對稱結構；②電路結構緊湊；③輸入端采用垂直過渡方式；④輸出端采用單端供電模式；⑤設置了大量接地孔；⑥電路由偏置電路和高頻電路組成；⑦高頻電路結構復雜；⑧阻抗匹配采用單支短截線方式。其中，特點①～④是LNA為適應某整體系統而提出來的要求；特點⑤旨在加強正面電路的通地性及板子的強度（板子厚度為20mm，沒有金屬的情況下柔軟易變形）；特點⑥～⑧是LNA設計的核心內容，偏置電路通過輸出端口單端供電，高頻電路部分由若干功能電路級聯組成，每一部分都有自己獨特的功能，進行仿真設計時需先單獨設計每一部分，然后再級聯成整體進行仿真。

3　測試

通過矢量網絡分析儀和噪聲儀對LNA輸入輸出駐波、增益、增益平坦度、噪聲系數進行測試。其中，輸入駐波測試結果如圖4所示。從圖4可以看出，11.7GHz～12.75GHz間：輸入駐波大都小于2，滿足設計要求。

圖4　輸入駐波

輸出駐波測試結果如圖5所示。從圖5可以看出，11.7GHz～12.75GHz間：輸出駐波都小于2，滿足設計要求。

圖5　輸出駐波

增益及增益平坦度測試結果如圖6所示。從圖6可以看出，11.7GHz～12.75GHz間：增益在20dB左右，增益平坦度在頻帶內基本滿足設計要求（<2dB）。

圖6　增益及增益平坦度

噪聲系數測試結果如圖7所示。圖7中可以看出，11.7GHz～12.75GHz間：A號板兩路（H路與V路）噪聲系數低于1.6，噪聲系數符合設計指標。

圖7　A號板兩路噪聲測試值

以上測試結果表明，本文設計的LNA主要技術指標基本達到設計要求。

4　結束語

本文詳細、全面地介紹了LNA的設計思路及要求，針對某衛星通信系統需要，提出了所需設計LNA的主要技術指標，并明確了設計思路，建立了LNA電路模型并進行了電磁仿真，仿真結果完全滿足設計要求，最后，根據仿真模型繪制了PCB電路板，電路板實測結果表明，所設計的LNA主要技術指標均達到設計要求。

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Design of Ku-Band Low Noise Amplifier

Wu ChengcaiGong LiYu QingfaLiang Qingyun
( Beijing Aerospace GuangHua Corporation, Beijing100854 )

AbstractFirstly，the research background of microwave low noise amplifier （LNA） is introduced，and the important practical significance of LNA design is pointed out. Then，the key points of LNA design，and the design method is proposed. Lastly the LNA design, including circuit model, RF circuit simulation, PCB circuit board and related testing is described in detail. And the simulation and testing results show that the design can satisfy the requirements.

KeywordsLow noise amplifier，Bias circuit，Impedance matching，Electromagnetic simulation

文章編號：1009-8119（2016）05（1）-0050-03