S波段低噪聲放大器的設(shè)計

摘 要 本文介紹了低噪聲放大器的設(shè)計方法，運(yùn)用理論計算結(jié)合軟件仿真，得到低噪聲放大器的設(shè)計模型，然后經(jīng)過整體仿真和優(yōu)化，完成整個設(shè)計。具有設(shè)計準(zhǔn)確、指標(biāo)高、成品率高等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】LNA 噪聲系數(shù) 穩(wěn)定性

1 引言

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

本文設(shè)計一款S波段LNA，并利用CAD技術(shù)進(jìn)行低噪聲放大器的設(shè)計仿真。

2 低噪聲放大器的設(shè)計理論

2.1 穩(wěn)定性分析

在工作頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定性是設(shè)計LNA時首先考慮的因素，判斷LNA絕對穩(wěn)定的條件如下：

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

實(shí)際設(shè)計過程中根據(jù)上式計算放大器是否穩(wěn)定較為復(fù)雜，一般在仿真軟件中可以直接使用“穩(wěn)定性判斷插件”來判斷放大器是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 噪聲系數(shù)分析

噪聲系數(shù)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(shù)；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(shù)用分貝數(shù)表示，此時：NF（dB）=10lg（NF）

對于多級放大器級聯(lián)的情況，其級聯(lián)后的噪聲系數(shù)的計算如下：

其中，NF為總的噪聲系數(shù)；NF1為第一級的噪聲系數(shù)；NF2為第二級的噪聲系數(shù)；NF3為第三級的噪聲系數(shù)；G1為第一級的增益；G2為第二級的增益。根據(jù)上述公式可知，在進(jìn)行級聯(lián)設(shè)計時，盡量提高提第一級的增益，且總的噪聲系數(shù)主要取決于第一級的噪聲系數(shù)。

2.3 動態(tài)范圍

為了避免大信號輸入時產(chǎn)生非線性失真，在進(jìn)行LNA設(shè)計時，應(yīng)選擇輸入三階交截點(diǎn)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(jī)的噪聲系數(shù)是非常有利的，但增益過高會影響整個接收機(jī)的動態(tài)范圍，一般來說，LNA增益的確定應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、動態(tài)范圍等綜合考慮與分配。

2.5 端口駐波比與匹配網(wǎng)絡(luò)

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(shù)，其輸入端口采用失配方法，按照最佳噪聲匹配來進(jìn)行設(shè)計輸入端口的匹配網(wǎng)絡(luò)是常用的一種設(shè)計方法，而輸出端口是按照最大輸出功率，采用共軛匹配進(jìn)行設(shè)計輸出端口的匹配網(wǎng)絡(luò)，同時端口駐波比越小，越容易與其它設(shè)備進(jìn)行級聯(lián)。

3 低噪聲放大器的設(shè)計仿真

本文采用ATF-34143器件設(shè)計了一款S頻段低噪聲放大器，采用仿真軟件對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析與匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。首先對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析與仿真，仿真原理如圖1所示，穩(wěn)定性仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可知，在2.4GHz～2.5GHz范圍內(nèi)，K值小于1，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，首先對其進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計，本例中通過加入反饋網(wǎng)絡(luò)來改善其穩(wěn)定性，仿真原理及仿真結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

通過圖4可知，加入反饋網(wǎng)絡(luò)后，K值大于1，處于穩(wěn)定狀態(tài)，便可以進(jìn)行器件的輸入與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計：利用Smith圓圖工具進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，按照最佳噪聲系數(shù)、采用微帶線的方式進(jìn)行匹配，如圖5所示，匹配完成后，將匹配網(wǎng)絡(luò)加入電路中進(jìn)行掃頻，查看結(jié)果，如圖6所示。

同理，對器件的輸出進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與仿真，將輸出匹配網(wǎng)絡(luò)加入電路后，查看整個電路頻率響應(yīng)，電路原理框圖如圖7所示、電路的頻率響應(yīng)如圖8、圖9所示。

從最終仿真數(shù)據(jù)看，電路處于在2.4GHz～2.5GHz工作頻率范圍內(nèi)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，輸入輸出端口駐波均小于1.4，電路增益大于12dB，噪聲系數(shù)小于0.4dB，所得仿真結(jié)果均較為理想。

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

4 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和工程應(yīng)用

仿真設(shè)計完畢，轉(zhuǎn)化成PCB圖并加入饋電網(wǎng)絡(luò)，印制板固定在屏蔽盒中，完成焊接電裝。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，實(shí)際測試結(jié)果如表1所示。

比較仿真結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一定的偏差，因?yàn)榘宀牡膿p耗、加工工藝的誤差等因素均會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，但總體滿足指標(biāo)。

本低噪聲放大器已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)際工程中，指標(biāo)穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文對低噪聲放大器的設(shè)計原理進(jìn)行了介紹，并結(jié)合實(shí)際工程要求進(jìn)行設(shè)計，用仿真軟件進(jìn)行原理圖仿真、layout設(shè)計。實(shí)際測試指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)

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

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

作者簡介

王建朝（1978-），男。現(xiàn)為中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所工程師。研究方向?yàn)槲⒉ㄍㄐ拧?/p>

作者單位

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081