射頻低噪聲放大器設計與仿真

王振朝，種少飛，韋子輝，田曉燕，陳 雷

(1.河北大學電子信息工程學院，河北保定071002;2.保定天河電子技術有限公司博士后工作站，河北保定071002)

低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)是射頻接收設備中的關鍵部件，主要用于放大接收信號從而提高接收機靈敏度及通信距離。LNA設計的難點在于需要考慮噪聲系數、增益及穩定性等參數，處于絕對穩定狀態且具有低噪聲系數和較高增益的LNA是提高接收機接收靈敏度及通信距離的關鍵手段［1］。

本文以433 MHz頻段為例并結合ADS(Advanced Design System)軟件詳細介紹了兩級低噪聲放大器完整的設計方法，完成了低噪聲放大器的設計及仿真，并在433 MHz頻段對低噪聲放大器進行了實際測試。結果表明，在ADF7021射頻收發芯片接收端加入設計的LNA后，提高了接收靈敏度，通信距離得到顯著提高。

1 低噪聲放大器的設計理論

放大器的性能指標主要是增益、穩定性、噪聲系數、輸入輸出駐波比等，其中噪聲系數及穩定性對接收系統影響較大。

1.1 穩定性分析

在工作頻段內的穩定性是在設計LNA時首先要考慮的問題。放大器由于內部S12產生的反饋，可能使LNA工作在不穩定狀態下，這會發生自激導致LNA不能正常工作［2］。因此，首先要判斷LNA是否絕對穩定，判斷LNA絕對穩定的條件為［3］

式中:K，B為穩定因數;S11為輸入端反射系數;S22為輸出端反射系數;S12為輸入端匹配時輸出端到輸入端傳輸系數;S21為輸出端匹配時輸入端到輸出端傳輸系數。

若根據放大管數據手冊中的S參數并結合式(1)或式(2)計算來判斷穩定性，則過程復雜。在ADS中利用穩定性判定系數Stab_face(s)或Stab_meas(s)可以直接對放大管進行穩定性分析，當Stab_face(s)＞1或Stab_meas(s)＞0時放大管處于絕對穩定狀態［4］。當放大器處于不穩定狀態時，可以采用在輸入、輸出端串聯或并聯小電阻，或引入負反饋電路等方法提高放大器的穩定性。但是前者會惡化噪聲系數、降低放大器增益［5］。本文采用的是在放大管的集電極引入感性反饋的方法。

1.2 最小噪聲系數和最大增益分析

低噪聲放大電路的噪聲系數和增益是衡量放大器性能的兩個重要指標。按最佳噪聲匹配得到的放大器的噪聲系數最小，此時為最佳噪聲匹配;按最大增益匹配得到的放大器的增益最大，此時為最大功率傳輸匹配。但這兩者是相互矛盾的，因此設計低噪聲放大器時需要權衡利弊得到最佳的設計方案。

多個放大管級聯時的噪聲系數為［6］

式中:Nfn為第n級放大管噪聲系數;Gn為第n級放大管增益。

由式(3)可知，低噪聲放大器的噪聲系數主要取決于第一級放大管的噪聲系數。綜合考慮最小噪聲系數和最大增益要求，本文采用的設計方案為:第一級輸入端采用最佳噪聲匹配，級間和第二級輸出采用最大功率傳輸匹配。同時設計合適的第一級放大管的偏置和反饋電路以適當提高其增益，減小第二級放大管對噪聲系數的影響。這樣既保證了低噪聲放大器小噪聲系數的要求，也保證了放大電路增益的要求。圖1為低噪聲放大器整體框圖。

圖1 低噪聲放大器整體框圖

2 低噪聲放大器設計與仿真

為改善遠距離通信效果，低噪聲放大電路必須有較高增益和很低的噪聲系數，為提高增益低噪聲放大器采用兩級放大管級聯結構。一級放大管選用NEC公司的2SC3356，二級放大管選用PHILIPS公司的BFR520，前者噪聲低、線性度好，而后者輸出功率高。兩者綜合使用，可以達到較高增益。低噪聲放大器的設計主要包括:偏置電路設計、穩定性分析、匹配網絡設計與電路優化與仿真。

2.1 偏置電路設計及穩定性分析

偏置電路對于放大管至關重要，直接影響著放大管的工作狀態。在ADS中導入放大管的S參數模型，并進行直流仿真，選擇合適的直流工作點。本設計選擇2個放大管的工作點為:VCE=3.3 V，IC=10 mA。根據確定的工作點設計偏置電路，并在放大管的直流和交流通路之間加入隔直電容和扼流電感，以更好地穩定靜態工作點。為了使穩定判別系數K在工作頻點大于1，本文在放大管的集電極加入反饋電感以保證放大管的絕對穩定。加入偏置和反饋電路如圖2所示，其中L2為加入的反饋電感，同時也起到扼流作用。對放大管進行仿真，得到放大管的穩定系數Stab_face(s)均大于1，如圖3所示。在工作頻點內放大管達到絕對穩定狀態，并且放大管在低頻部分也很穩定，避免了中低頻區可能導致的自激震蕩。

圖2 偏置電路

2.2 匹配網絡設計

匹配網絡對整個放大器起關鍵作用，它最終決定了增益、輸入輸出駐波比及噪聲系數。本文匹配網絡的設計包括:最佳噪聲匹配、級間匹配、最大功率傳輸匹配。利用等噪聲系數圓和等增益圓，進行低噪聲放大器匹配網絡的設計［7］。

圖3 穩定系數仿真結果(截圖)

根據等噪聲系數圓和等增益圓仿真第一級放大管，得到等噪聲系數圓和等增益圓，如圖4所示。點m4獲得最小噪聲系數0.520 78 dB，增益大約為16.819 dB，由于第一級放大電路主要考慮噪聲系數，得到最小噪聲系數下的輸入端阻抗為50×(0.479+j0.484)。使用DA_Simth-CharMatch進行匹配網絡設計，50B通過匹配網絡匹配到m4的共軛點，仿真結果如圖5所示，其中點m4達到匹配點，完成了最佳噪聲匹配。

圖4 等噪聲系數圓和等增益圓(截圖)

圖5 最佳噪聲匹配仿真(截圖)

根據輸出阻抗控件，得到一級放大管在433 MHz時的輸出阻抗為92.974－j6.91。輸出端的匹配網絡采用最大功率傳輸匹配，加入匹配網絡后仿真結果如圖6所示。輸出端的輸出阻抗為49.748+j0.032，已經接近50Ω。

圖6 輸出端匹配仿真(截圖)

第二級的匹配過程不再贅述，需要注意的是:第二級放大管主要考慮的是增益問題，故輸入端匹配網絡采用最大功率傳輸匹配，即共軛匹配。第二級放大電路的仿真結果如圖7所示，第二級放大管在工作頻段增益曲線S21為19.353 dB，且具有良好的增益平坦性能，回波損耗曲線S22 為 －37.938 dB，噪聲系數為1.008 dB。

2.3 電路優化與仿真

在ADS原理圖中把兩級放大電路級聯，仿真得到低噪聲放大器的S參數。在實際制作中，使用的器件不可能是理想的仿真值，故電路中的匹配網絡需要根據S參數進行優化，使低噪聲放大器性能符合設計要求。優化后完整的LNA電路圖如圖8所示，其中C1、C2、C6、C7為放大管的隔直電容，仿真結果如圖9所示。圖9中m1點所在的曲線為噪聲系數曲線，在433 MHz時低噪聲放大器的噪聲系數為0.572 dB，m2點所在的曲線為穩定系數曲線，在433 MHz時的穩定系數為1.386，設計的低噪聲放大器處于絕對穩定狀態下。m3點表示低噪聲放大器的增益曲線S21在433 MHz時為34.835 dB，m4和m5所在曲線分別表示低噪聲放大器的輸入、輸出駐波比，在433 MHz時分別為1.14 dB、1.192 dB。點m6、m7基本到達匹配點，低噪聲放大器的輸入、輸出匹配良好。

圖7 BFR520仿真結果(截圖)

圖8 兩級低噪聲放大器電路(截圖)

需要注意的是，設計的匹配網絡是按照最大功率傳輸設計的，沒有考慮傳輸線與負載之間的無反射匹配，所以在制作PCB版時要根據板子的材質及厚度計算出輸入輸出的信號線的線寬以使其特性阻抗為50Ω，保證信號線與負載的無反射匹配。在制作PCB版圖時為了方便調試，在匹配網絡中加入一些備用的焊盤，在第一級放大管輸出端加入天線焊盤方便單級放大管調試。

圖9 兩級低噪聲放大器仿真結果(截圖)

3 低噪聲放大電路測試及應用

在測試過程中使用Agilent E4433信號源和Agilent E4405B頻譜測試儀進行測試。得到低噪聲放大器的增益為27 dB，回波損耗為－23 dB。噪聲系數借助惠普公司的HP8970B噪聲測試儀，測得噪聲系數為0.589 dB。

為驗證本文設計LNA的實用性，在使用ADF7021射頻收發芯片的通信模塊接收端加入該LNA，ADF7021是ADI公司生產的一款高性能、低功率、窄帶收發器，其可在窄帶、免執照 ISM頻段以及80～650 MHz和842～916 MHz頻率范圍的許可執照頻段內工作，廣泛應用于工業現場數據傳輸、無線抄表等領域。ADF7021內部已集成自動調整增益的低噪放大電路，接收靈敏度在－112 dBm左右，在加入LNA后，采用ADF7021的通信模塊接收靈敏度提高7～8 dB，通信距離提高近一倍，說明該低噪聲放大器具有較高的增益和較低的噪聲系數。

4 總結

本文結合ADS軟件、等噪聲圓及等功率圓介紹了兩級LNA的設計方法，并通過集電極串聯電感的方法實現了LNA在工作頻段內的絕對穩定狀態。最后完成了兩級放大管的偏置電路設計和最佳噪聲以及最大功率匹配電路設計，并根據仿真結果對噪聲系數和S參數進行了優化。將設計的低噪聲放大器應用在中心頻率為433 MHz的射頻通信模塊中，測試結果表明，在工作頻段內該低噪聲放大器具有較高的增益和良好的匹配，提高了接收系統的接收靈敏度，增加了通信模塊的通信距離。這種LNA電路對射頻通信模塊接收端設計具有重要使用價值。

［1］段成麗，徐江，王浩，等.S波段低噪聲放大器仿真設計［J］.壓電與聲光，2012，34(4):622－626.

［2］叢密芳，南敬昌，李久超.RFID低噪聲放大器設計與仿真［J］.計算機仿真，2011，28(4):393－396.

［3］ REINHOLD L，PAVEL B.RF circuit design:theory and applications［M］.［S.l.］:Prentice Hall，2003.

［4］ Design of observer－based feedback control for time－delay systems［EB/OL］.［2013－05－12］.http://www－personal.umich.edu/～ ulsoy/TDS_Chapters/TDS_Chapter7.htm .

［5］梁立明，南敬昌，劉影.基于ADS射頻低噪聲放大器的設計與仿真［J］.計算機仿真，2009，26(11):352－355.

［6］萬建崗，高玉良，左治方.基于ADS仿真的寬帶低噪聲放大器設計［J］.電視技術，2009，33(4):58－61.

［7］吳先智，孫玲，包志華.超高頻RFID讀卡器接收前端低噪聲放大器設計［J］.南通大學學報，2009，8(2):8－10.