S波段低噪聲放大器的設計

摘 要 本文介紹了低噪聲放大器的設計方法，運用理論計算結合軟件仿真，得到低噪聲放大器的設計模型，然后經過整體仿真和優化，完成整個設計。具有設計準確、指標高、成品率高等優點。

【關鍵詞】LNA 噪聲系數 穩定性

1 引言

低噪聲放大器（簡稱LNA）廣泛應用于微波通信、電子對抗、遙感遙控等系統中，位于接收系統的前端，對接收到的微弱信號進行線性放大，在LNA的設計過程中，需注意以下幾個方面：穩定性設計、噪聲系數、增益、端口駐波比、匹配電路及動態范圍，其中穩定性直接關系到系統工作的可靠性與穩定性，噪聲系數直接決定著系統的靈敏度性能。

本文設計一款S波段LNA，并利用CAD技術進行低噪聲放大器的設計仿真。

2 低噪聲放大器的設計理論

2.1 穩定性分析

在工作頻率范圍內的穩定性是設計LNA時首先考慮的因素，判斷LNA絕對穩定的條件如下：

其中，K為穩定系數；S11為輸入端反射系數；S22為輸出端反射系數；S12為反向傳輸出系數；S21為正向傳輸系數。

實際設計過程中根據上式計算放大器是否穩定較為復雜，一般在仿真軟件中可以直接使用“穩定性判斷插件”來判斷放大器是否處于穩定狀態。

2.2 噪聲系數分析

噪聲系數定義為放大器的輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：

其中，NF為放大器的噪聲系數；Si/Ni為輸入端的信噪比；So/No為輸出端的信噪比。通常，噪聲系數用分貝數表示，此時：NF（dB）=10lg（NF）

對于多級放大器級聯的情況，其級聯后的噪聲系數的計算如下：

其中，NF為總的噪聲系數；NF1為第一級的噪聲系數；NF2為第二級的噪聲系數；NF3為第三級的噪聲系數；G1為第一級的增益；G2為第二級的增益。根據上述公式可知，在進行級聯設計時，盡量提高提第一級的增益，且總的噪聲系數主要取決于第一級的噪聲系數。

2.3 動態范圍

為了避免大信號輸入時產生非線性失真，在進行LNA設計時，應選擇輸入三階交截點較高的器件，至少要比最大輸入信號高30dB。

2.4 增益分析

放大器的增益定義為輸出功率與輸入功率的比值。即：G=PO/Pi。其中，G為放大器的增益；Po為輸出功率；Pi為輸入功率。提高LNA的增益對于降低整機的噪聲系數是非常有利的，但增益過高會影響整個接收機的動態范圍，一般來說，LNA增益的確定應根據系統的整機噪聲系數、動態范圍等綜合考慮與分配。

2.5 端口駐波比與匹配網絡

端口駐波比表征了LNA輸入輸出回路的失配情況。通常情況下，LNA為了獲得最小的噪聲系數，其輸入端口采用失配方法，按照最佳噪聲匹配來進行設計輸入端口的匹配網絡是常用的一種設計方法，而輸出端口是按照最大輸出功率，采用共軛匹配進行設計輸出端口的匹配網絡，同時端口駐波比越小，越容易與其它設備進行級聯。

3 低噪聲放大器的設計仿真

本文采用ATF-34143器件設計了一款S頻段低噪聲放大器，采用仿真軟件對其進行穩定性分析與匹配網絡的設計。首先對其進行穩定性分析與仿真，仿真原理如圖1所示，穩定性仿真結果如圖2所示。

從圖2中可知，在2.4GHz～2.5GHz范圍內，K值小于1，處于不穩定狀態，首先對其進行穩定性設計，本例中通過加入反饋網絡來改善其穩定性，仿真原理及仿真結果分別如圖3、圖4所示。

通過圖4可知，加入反饋網絡后，K值大于1，處于穩定狀態，便可以進行器件的輸入與輸出匹配網絡設計。

輸入匹配網絡的設計：利用Smith圓圖工具進行匹配網絡的設計，按照最佳噪聲系數、采用微帶線的方式進行匹配，如圖5所示，匹配完成后，將匹配網絡加入電路中進行掃頻，查看結果，如圖6所示。

同理，對器件的輸出進行匹配網絡的設計與仿真，將輸出匹配網絡加入電路后，查看整個電路頻率響應，電路原理框圖如圖7所示、電路的頻率響應如圖8、圖9所示。

從最終仿真數據看，電路處于在2.4GHz～2.5GHz工作頻率范圍內處于穩定工作狀態，輸入輸出端口駐波均小于1.4，電路增益大于12dB，噪聲系數小于0.4dB，所得仿真結果均較為理想。

板材選擇聚四氟乙烯，介電常數Er=2.2，厚度0.8mm。射頻部分的Layout圖見圖10。

4 結構實現和工程應用

仿真設計完畢，轉化成PCB圖并加入饋電網絡，印制板固定在屏蔽盒中，完成焊接電裝。用矢量網絡分析儀進行測試，實際測試結果如表1所示。

比較仿真結果和實際測試結果發現有一定的偏差，因為板材的損耗、加工工藝的誤差等因素均會對測量結果產生影響，但總體滿足指標。

本低噪聲放大器已經應用在實際工程中，指標穩定。

5 結束語

本文對低噪聲放大器的設計原理進行了介紹，并結合實際工程要求進行設計，用仿真軟件進行原理圖仿真、layout設計。實際測試指標滿足設計要求。

參考文獻

[1]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.RF Circuit Design：Theory and Applications[M].北京：電子工業出版社，2002.

[2]Inder Bahl，Prakash Bhartia.Microwave Solid State Circuit Design[M].北京：電子工業出版社，2003.

作者簡介

王建朝（1978-），男?，F為中國電子科技集團公司第54研究所工程師。研究方向為微波通信。

作者單位

中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081