1.8～2.8 GHz低噪音放大器的仿真設計

李凱

（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 晶體管器件的選擇和級數的確定

低噪聲放大器的性能取決于有源器件的噪聲特性和匹配網絡的設計，有源器件在根本上決定了LNA對微弱信號的分辨率能力和微波低噪聲放大器的動態范圍。根據有關資料對3種主要器件的介紹和比較[1]，數相對較低，頻率較高的HEMT器件來進行低噪聲放大器的設計。進過對比各大公司的晶體管設計手冊，發現Avago公司的ATF-58143是一種低噪聲砷化鎵PHEMT器件在本設計中選擇噪聲系高電子遷移率晶體管。

另外考慮放大器的增益指標，由于一般的單管增益為9～12 dB，而本設計要求增益達到20 dB，所以電路要采用兩級放大器來實現[2-3]。

2 直流偏置電路的設計

偏置網絡的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供合適的靜態工作點，并抑制晶體管參數的離散型以及溫度變化的影響，從而保持穩定的工作狀態[4]。偏置網絡電路圖[5-6]如圖1所示。偏置網絡的穩定系數結果圖如圖2所示。由圖2可知，放大器在工作頻段內處于絕對穩定。

3 匹配電路設計

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。輸入匹配、級間匹配和輸出匹配電路圖[6-7]分別如圖3、圖4和圖5所示。

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。

圖1 ATF-58143偏置電路圖Fig.1 Networks passive Biasing of ATF-58143

圖2 ATF-58143偏置網絡的穩定系數Fig.2 Bias circuit stability factor of ATF58143

圖3 最低噪聲的輸入匹配電路Fig.3 Input matching circuit of minimum noise

圖4 級間匹配電路Fig.4 Interstage matching circuit

圖5 最大增益的輸出匹配電路圖Fig.5 Output matching circuit of maximum gain

4 負反饋網絡

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[5-7]。具體電路圖如圖6所示。

圖6 負反饋網絡電路圖Fig.6 Scheme circuit of the negative feedbac

5 仿真結果

整體電路由ADS2009仿真，整體電路[6-7]優化后的增益如圖7所示。電路LAN的增益達到20 dB。噪聲系數如圖8所示，在1.8～2.8 GHz頻段噪聲系數小于1.5 dB。輸入輸出駐波比如圖9所示，輸出駐波比為1.8，很好地滿足了設計要求。

圖8 整體LNA優化后的噪音系數Fig.8 NF of the whole LNA after optimization

6 結束語

通過ADS軟件對電路進行優化，該電路在1.8～2.8 GHz頻段內，可達到20 dB以上增益；噪聲系數小于1.5 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。另外由于ADS這個功能強大的射頻仿真工具和muRata元件庫，縮短了研發周期，節約了研發成本，在此對Agilent公司和muRata公司表示感謝。

圖9 整體LNA優化后的輸入輸出電壓比Fig.9 Input and output VSWR of the whole LNA after optimization

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