2.4GHz低噪聲放大器的設計

楊虹++袁喆

摘要：本文用分別用AT-41511 NPN型晶體管和ATF54143 PHEMT晶體管設計了一款低噪聲放大器（LNA）。在AT-41511 NPN型晶體管LNA仿真優化后，穩定系數大于1，噪聲系數為2.011，增益大于10 dB，S12 <-15，S11，S22<-10，故電路具有良好的傳輸性能，采用ATF54143的PHEMT晶體管LNA仿真所得的噪聲系數為0.738。

關鍵詞：晶體管 低噪聲放大器 傳輸性能 噪聲系數

中圖分類號：TN722.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0183-03

在圖1中，BPF1為帶通濾波器，BPF2為處理信號模塊。進入接收系統的信號有兩種，一種是有用信號，一種是外部帶來的噪聲和電路自身存在的噪聲。因此，需要對這些微弱信號進行濾波后再放大；由于微波信號，很容易被噪聲所掩蓋干擾，這就要求放大器本身噪聲性能足夠好，故低噪聲放大器就應需求而被廣泛研究和使用。低噪放（LNA）處于接收機前端信號處理的第一級，具有放大信號和降低噪聲，也能很大程度上提高通信系統的靈敏度，對整個通訊系統的性能有非常重要的作用[1]。接收系統對于低噪聲放大器（LNA）基本要求[2]是：噪聲系數低、足夠的功率增益、工作穩定性好和較大的動態范圍。如果電路中的低噪聲放大器噪聲系數比較低，則整個接收機系統的噪聲系數也會比較小，信噪比就比較優良，靈敏度得到提高[3]。因此研究低噪聲放大器（LNA）就很有必要。

低噪聲放大器（LNA）是廣泛應用于通信、雷達、電子對抗及遙控遙測系統接收設備的關鍵部件，在接收機系統中處于前端，主要作用是放大接收到的微弱信號，降低噪聲干擾。因此，低噪聲放大器的設計成了諸多接收系統設計的關鍵。

1 電路設計

低噪聲放大器（LNA）的電路結構包括晶體管、直流偏置、輸入輸出匹配三大部分，應此，LNA的設計與一般的線性放大器的設計大致一樣，可以按照這幾個部分依次進行。但是，與一般的線性放大器相比，低噪聲放大器在需要實現目的和設計方法都有所不同。實現目的不同表現在，一般的線性放大器主要為了實現高增益的性能，每級均采用功率匹配，而低噪聲放大器為了實現低噪的性能，輸入端一般采用最佳噪聲匹配，輸出端采用功率匹配，最后找出一個平衡點實現較小的噪聲系數和較大的功率增益。LNA的一般設計步驟如下：

（1）選擇滿足設計要求的晶體管的型號（NPN或PHEMT）。LNA要求管子的噪聲系數越低越好，而增益越高越好，但是二者是相互矛盾的，需要對它們作一平衡。

（2）確定所選擇晶體管的穩定性。對絕對穩定的晶體管器件，可以直接進行后續電路的設計。對于不是絕對穩定的晶體管器件，可以用兩種方法來解決放大器電路的穩定性問題，一是可以先在反射平面作出不穩定區域，在頻率范圍允許的條件下，選擇避開潛在不穩定頻率區域來設計所需要的放大器。另一種方法是，若設計的放大器頻率范圍不能避開潛在不穩定頻率區域，則利用其他方法（如添加負反饋）來提高放大器電路的穩定性，使放大器在整個工作頻率范圍內保持絕對穩定。

（3）利用射頻放大器設計軟件，對放大器晶體管設置偏置電路以實現放大電路的直流供電，在此基礎上，進行放大器輸入輸出匹配網絡設計的設計以實現低噪聲高增益的放大器性能指標，最后用ADS射頻仿真軟件模擬并仿真低噪聲放大器的各項性能指標，仿真結束后需要檢驗LNA的穩定性，若不穩定需要重復步驟（2），若穩定，則檢查放大器其他各項重要性能指標，并經行下一步優化仿真設計。

2 電路原理圖及仿真優化結果

AT-41511是Agilent公司一款NPN型三極管，主要工作頻段800MHz到2.6GHz.AT-41511 LNA原理圖如圖2所示。

由圖3可知工作頻率為2.4GHz下電路優化前各項指標：增益S（2，1）=8.446，反向隔離度S（1，2）=-17.564，輸入反射系數S（1，1）=-32.551，輸出反射系數S（2，2）=-4.556.

由圖4可知工作頻率為2.4GHz下電路優化后的各項指標：增益S（2，1）=10.039，反向隔離度S（1，2）=-15.970，輸入反射系數S（1，1）=-16.225，輸出反射系數S（2，2）=-12.750.

由圖5可知電路在2.4GHz頻率下是絕對穩定的，滿足設計要求。

由圖6可知電路噪聲系數還有待提高，結合LNA可以工作在液氮溫區、噪聲系數指標要求高的特點，由于BJT管（雙極性晶體三極管）和FET管（場效應管）很難達到這樣的要求，所以最好選用HEMT（高電子遷移率晶體管）器件來設計。HEMT管相比于FET，具有高增益、低噪聲和高功率容量等優點。

常規HEMT器件的微波及高速性能都很優越，但域值電壓會隨著溫度的變化改變，尤其是在低于77K溫度時，溝道電流會突然消失。新型的PHEMT器件彌補了常規HEMT器件的這種不足，使得器件相比于常規的HEMT器件，具有更大的電流密度、更高的增益和更高的工作頻率上限。

結合上述原因，本文選用Avago公司的PHEMT晶體管ATF54143來設計低溫LNA。ATF54143具有噪聲系數小、增益較高、動態范圍大、溫漂小等優點，該晶體管在低溫下仍能保持一些常溫下的特性，例如S參數基本不會變化并且在低溫下晶體管也不會出現自激的情況。由于ATF54143的這些優點，本文采用常溫設計法設計該低溫LNA。先對ATF54143晶體管直流分析確定直流工作點，接著根據直流工作點位晶體管設計偏置電路，然后對電路的穩定性經行分析并采用源級負反饋實現LNA在整個工作頻段上絕對穩定，然后進行輸入輸出匹配電路的設計和實現，得到的LNA的整體電路結構，最后對整體電路優化仿真。優化仿真結果。整體結構原理圖如圖7所示。

由圖8可知LNA電路噪聲系數為0.738，相比于AT-41511 LNA電路，ATF54143 LNA電路在2.4GHz頻率下可以得到相對比較理想的噪聲性能。

3 結語

本文使用Agilent公司ADS軟件設計的AT-41511 LNA，在工作頻率為2.4GHz下實現噪聲系數2.011，穩定系數大于1，輸入輸出反射系數小于-10，S12<-15，增益約為10dB，采用ADS軟件設計的ATF54143 LNA在工作頻率為2.4GHz下噪聲系數為0.738。由以上可以看出，運用Aglient公司ADS軟件設計的LNA在2.4GHz下無條件穩定，具有較好的反向隔離度，傳輸性能良好，采用ATF54143設計LNA可以能得到比較理想的噪聲性能。

參考文獻

[1]陳艷華，李朝暉，夏瑋.ADS應用詳解—射頻電路設計與仿真[M].北京：人民郵電出版社.2008：321-341.

[2]Thomas H.Lee著，余志平，周潤德.CMOS射頻基礎電路設計[M]，北京：電子工業出版社，2012：70-82.

[3]呂杰，劉林海，曹純，李哲.一種1～3GHz寬帶低噪聲放大器的設計[J].無線電工程，2015，45（5）：57-60.