寬帶平衡式低噪聲放大器的研究與設計

劉文豹，楊自強，陳濤

電子科技大學電子工程學院，四川成都611731

寬帶平衡式低噪聲放大器的研究與設計

劉文豹，楊自強，陳濤

電子科技大學電子工程學院，四川成都611731

為解決低噪聲放大器設計時帶寬和駐波的問題，提出一種結合平衡放大結構和負反饋技術設計寬帶低噪聲放大器的方法。采用ATF38143晶體管，利用ADS軟件對其進行匹配優化，以自偏壓的形式提供負壓簡化電路，通過并聯諧振電路調節增益平坦度，設計出一個工作在1．5～2．5 GHz內、端口駐波小于1．4，噪聲系數優于0．55、最大增益大于14 dB、帶內增益平坦度優于2 dB的寬帶低噪聲放大器，很好地解決了低噪聲放大器的帶寬和駐波問題。

平衡放大；負反饋；寬帶；低噪聲放大器；噪聲系數

隨著雷達技術和無線通信技術的快速發展，對兩者的性能要求也越來越高，低噪聲放大器（low?noise amplifier）處于雷達接收機和射頻接收機射頻前端的最前級，它的主要作用是放大接收到的微弱信號，抑制系統噪聲，對整個系統的性能影響很大［1?3］。因此具有高增益、低噪聲系數、寬帶寬的LNA是現代電子技術的重要研究方向。

低噪聲放大器的設計思路是通過對晶體管做最佳噪聲系數匹配，通過選擇合適的方案折中增益、噪聲系數、帶寬、增益平坦度、駐波等多個指標。文中基于晶體管ATF38143，采用平衡放大結構和串聯負反饋結構實現寬帶放大、提高穩定性，通過并聯諧振電路滿足帶內增益平坦度，利用advanced design sys?tem（ADS）軟件對晶體管的輸入輸出進行匹配仿真。

1 設計理論基礎

1．1 平衡放大技術

平衡式放大器是由2個3 dB定向耦合器和2個相同的放大電路構成，基本的電路結構如圖1［4］，第1個90°的混合耦合器將輸入信號分成2路有著相等幅度但有90°相位差的分量，然后通過2路相同的放大電路放大。第2個3 dB的耦合器將2路放大的信號重新合在一起。因為混合耦合器的相位特性，來自放大器輸入端的反射在2個耦合器的輸入端被抵消，從而改進了阻抗匹配。平衡放大技術的主要優點有：1）可以獲得平坦的增益、噪聲系數；2）有較高的穩定度和駐波比；3）如果一路放大電路失效，放大器不會完全失效，增益只會適度的降低；4）由于平衡式的輸入輸出都是耦合器，容易級聯。

圖1 平衡式放大器電路的結構

本設計中耦合器采用了lange耦合器，該耦合器采用相互連接的4根耦合線。這種耦合器容易達到3 dB的耦合比，并且可以達到很寬的帶寬。

1．2 串聯負反饋技術

串聯負反饋電路的結構是在晶體管的源級加入一個電抗性的元件，可以使用一個很小的電感也可以是一段微帶線，圖2為其基本電路形式［6］。源極串聯負反饋主要用于提高放大器的穩定性，增加線性度，有益于實現噪聲匹配。源極串聯負反饋多采用感性元件且感值很小，在本設計中采用微帶線代替，由于其無源性，并不會影響放大器的噪聲。

圖2 串聯負反饋示意

2 放大器電路仿真與優化

ADS是Agilent公司的微波電路和通信系統仿真軟件，可實現包括時域和頻域、數字和模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真［4］。它內含基于矩量法mo?mentum的電磁仿真模塊，是一種對3D進行簡化的2．5D電磁仿真器，可對本設計中的lange耦合器進行聯合仿真驗證。

本設計目標是設計一個工作在1．5～2．5 GHz帶寬內，噪聲系數優于1，端口駐波小于1．5，帶內增益大于10 dB，增益平坦度小于2 dB的低噪聲放大器。

2．1 lange耦合器的仿真

在ADS中可以直接選擇lange耦合器的模型建立仿真原理圖，設置lange耦合器的參數。根據經驗公式W／H＝0．107，S／H＝0．071，L＝λ／4，其中W為微帶線的寬度，S為微帶線之間的距離，H為基板的厚度，λ為設計中心頻率的波長［7］。本設計采用介電常數為4．6、厚度為0．8 mm的F4板，因此可以計算出各個參數的初值，并通過ADS優化得出最佳的設計結果。為獲得更準確的計算結果，使用ADS的momentum電磁仿真模塊對lange耦合器的版圖進行聯合仿真，仿真的模型圖片如圖3。通過觀察ADS的momentum仿真結果可以發現其與原理圖的仿真結果有比較大的差別。通過改變原理圖的W、S參數值反復仿真可得到最優的設計結果。聯合仿真的結果傳輸參數S3，1、S4，1如圖4，并且3個端口的回波損耗均優于－22 dB，由結果可知在帶內該耦合器完全滿足設計要求。

圖3 串聯負反饋示意

圖4 lange耦合器聯合仿真結果

2．2 低噪聲放大器的仿真設計

通過ADS軟件對所選晶體管ATF38143進行匹配，對單路的放大器進行設計。首先對晶體管進行直流仿真，結合器件手冊確定晶體管的靜態工作點。由于晶體管需要負壓，為簡化電路形式，采用自偏壓的形式為晶體管提供負壓，在源級接一個電阻到地，柵極接一微帶線到地，這樣柵極相對源級就成一個負壓狀態。同時在源級接一個2 mm長的微帶線形成一個串聯負反饋，提高穩定性。對晶體管的輸入匹配采用最佳噪聲系數匹配，這樣可以保證整個電路有一個比較好的噪聲系數指標，輸出匹配按最大增益匹配來保證放大電路的增益要求。由于整個放大器的輸入輸出駐波由耦合器決定，放大器匹配時可以忽略這個指標，保證最優的噪聲系數和增益。

將之前仿真的lange耦合器加入到原理圖中，并將仿真得到的單路放大鏈路復制拷貝建立平衡式放大器原理圖，完整的電路原理圖如圖5所示。由于仿真的增益在帶內平坦度無法滿足指標，可在每路放大電路中并聯一個諧振電路的形式調節增益平坦度。該諧振電路由電容、電感和電阻構成，通過調節諧振回路的諧振頻率和電阻的值使平坦度滿足要求，同時諧振回路可以增加低頻段的穩定性。

圖5 本設計放大器的完整原理圖

2．3 仿真結果與分析

對圖5進行最終優化仿真，仿真結果如圖6，由仿真結果可知在工作帶寬1．5～2．5 GHz內，輸入輸出回波損耗優于－15 dB，兩端口駐波小于1．4，噪聲系數優于0．55，最大增益大于14 dB，帶內增益平坦度優于2 dB，在0～6GHz內放大器絕對穩定，各項指標均滿足設計要求。

圖6 平衡式低噪聲放大器仿真優化結果

3 結束語

設計低噪聲放大器主要考慮的指標是噪聲系數和增益，但是這通常會犧牲放大器輸入駐波比的性能，因此普通結構的LNA設計都是折中各個指標。平衡式放大器能夠在增加一定的噪聲系數和損失一定的增益的條件下較好的改善輸入、輸出駐波比，擴展工作帶寬，同時平衡式低噪聲放大器的功率容量比單路放大器大一倍，可以有效增大接收機的動態范圍。文中采用平衡式放大器結構和源極串聯負反饋技術設計了一種寬帶的低噪聲放大器電路，通過ADS軟件設計優化平衡電路中的lange耦合器，并對晶體管ATF38143進行匹配。采用自偏壓的形式簡化電路形式，通過并聯諧振回路的形式調節增益平坦度。最終設計出一個工作在1．5～2．5 GHz內，兩端口駐波小于1．4，噪聲系數優于0．55，最大增益大于14 dB，帶內增益平坦度優于2 dB的低噪聲放大器。

通過設計仿真結果可知，將平衡式放大器結構和負反饋相結合引入低噪聲放大器的設計可以很好地解決低噪聲放大器的帶寬和駐波問題，并能保證較好的噪聲系數和帶內增益。

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［10］MONGIA R，BHARTIA P，BAHL I J．RF and microwave coupled?line circuits［M］．London：Artech House，1999：243?304．

Research and design of the broadband balance type low noise amplifier

LIU Wenbao，YANG Ziqiang，CHEN Tao

Institute of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology，Chengdu 611731，China

In order to eliminate the defects of band width and standing wave in the design of a low?noise amplifier，a design method for a broadband low?noise amplifier by combining balance amplification structure and negative feedback technology was proposed．ATF38143 transistor was applied，ADS software was used for matching and optimizing the transistor，a simplified circuit for negative voltage was provided in self?biasvoltage，and a parallel?connection reso?nance circuit was utilized to regulate the gain flatness．Finally，a broadband low?noise amplifier was designed，which works under 1．5～2．5 GHz，with standing wave at port less than 1．4，noise coefficient more than 0．55，the maximum gain above14 dB and the gain flatness inside band more than 2 dB．

balance amplification；negative feedback；broadband；low?noise amplifier；noise coefficient

TN710．3

A

1009?671X（2014）01?0022?04

10．3969／j．issn．1009－671X．20130421

2013?04?26．

日期：2013?07?04．

國家自然科學基金青年科學基金資助項目（61006026）

劉文豹（1986?），男，碩士研究生；楊自強（1981?），男，副研究員．

劉文豹，E?mail：499693448＠qq．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20130704．1124．001．html