宽带低噪声放大器的设计

宽带低噪声放大器的设计
摘要:低噪声放大器(LNA)是雷达、通信、电子对抗、遥测遥控等电子系统中关键的微波部件，有广泛的应用价值。

本文在给出了低噪声放大器的主要技术指标及低噪声放大器的设计方法的基础上,采用负反馈技术，并使用ADS2003C 对整个匹配网络进行优化设计，实现了在0.35-2.5GHz 的超宽带频率范围的低噪声放大器的设计。

关键词：低噪声放大器（LNA ）、负反馈、噪声系数
0、引言：
系统接收灵敏度的计算公式如下：
S= -174+ NF+10㏒BW+S/N
由上式可见，在各种特定（带宽、解调S/N 已定）的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF ，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。

下图1为二端口网络示意图：
图1为二端口网络示意图 根据戴维南定理，输入输出匹配网络以及多级放大器的级间匹配网络，都可以归结为图 1 所示的无源二端口网络的设计，当Z S ，Z L 之中有一个是纯电阻时，称为单端口匹配问题；当Z S ，Z L 均为复数阻抗时，称为双端匹配问题。

在微波多级放大器电路中，匹配网络一般由传输线，无耗集总元件构成。

本文经过对低噪声放大器的各种重要参数进行分析，结合指标要求，采用负反馈技术设计宽带低噪声放大器。

然后使用仿真软件ADS2003C ，对放大器的匹网络进行优化设计，得出了符合指标的匹配网络，提高了设计效率。

1.低噪声放大器的主要技术指标
1.1噪声系数NF
放大器的噪声系数NF 可定义如下
out
out in in N S N S NF // （1）
式中，NF 为微波部件的噪声系数；
S in ，N in 分别为输入端的信号功率和噪声功率；
S out ，N out 分别为输出端的信号功率和噪声功率。

噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。

通常，噪声系数用分贝数表示，此时
)lg(10)(NF dB NF = （2）
对单级放大器而言，其噪声系数的计算为：
（3）
1.2放大器增益G
放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值：
G=Pout / Pin
低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。

噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益G 要下降。

噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。

通常，相关增益比最大增益大概低2－4dB 。

1.3输入输出的驻波比
低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配情况，我们在设计低噪声放大器的匹配电路时，输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计为接近最佳噪声匹配网络而不是最佳功率匹配网络，而输出匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比而设计，所以，低噪声放大器的输入端总是存在某种失配。

这种失配在某些情况下会使系统不稳定，一般情况下，为了减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响，可用插损很小的隔离器等其他措施来解决。

1.4反射系数
由式3可知，当Γs = Γopt 时，放大器的噪声系数最小，NF=NFmin ，但此时从功率传输的角度来看，输入端是失配的，所以放大器的功率增益会降低，但有些时候为了获得最小噪声，适当的牺牲一些增益也低噪声放大器设计中经常采用的一种办法。

1.5放大器的动态范围（IIP3）
动态范围是指低噪音放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。

动态范围的下限取决于噪声性能。

当放大器的噪声系数Nf 给定时，输入信号功率允许最小值是：
M f kT N P m f )(0min ∆=
其中：
m f ∆－微波系统的通频带(例如中频放大器通频带)；
M － 微波系统允许的信号噪声比，或信号识别系数；
T0－ 环境温度，293K 。

由公式可知，动态范围下限基本上取决于放大器噪声系数，但是也和整个系统的状态和要求有关。

例如，电视机信号微波中继每信道频带m f ∆＝40MHz ，信号噪音比M ＝10，放大器噪声系数Nf=1.2(0.8dB)动态范围下限是dB mW P 811023.79
min -=⨯=- 。

动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求更加严格些，则定义为放大器非线性特性达到指定三阶交调系数时的输入功率值。

1.6增益平坦度
增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏，常用最高增益与最小增益之差，即△G(dB)
表示，如下图所示。

1.7工作频带
考虑到噪音系数是主要指标，但是在宽频带情况下难于获得极低噪音，所以低噪音放大器的工作频带一般不大宽，较多为20％上下。

工作频带不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪音要满足要求，并给出各频点的噪音系数。

1.8稳定性指标
放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。

从反射系数的角度来说，只有当反射系数的模小于1 时系统才是稳定的。

反射系数大于1 说明反射电压幅度大于入射电压幅度，或者说放大器的端口阻抗出现了负实部，端口阻抗表现为负电阻，这是由正反馈引起的。

由振荡理论知道这会引起自激现象。

因此，只有当
这两个条件同时成立时，放大器才会绝对稳定。

2．低噪声放大器的设计方法
2.1 低噪声放大管的选择原则
对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围，目前双极型低噪声管的工作频率可以达到几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，噪声系数可在1分贝以下。

我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面进行考虑：
1）微波低噪声管的噪声系数足够小工作频段足够高，晶体管的fT一般要比工作频率高4倍以上，现在PHEMT 场效应管的噪声系数在2GHz可在0.5dB左右，工作频率高端可达到6GHz。

2）微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围,一般要求放大器工作增益大于10dB以上, 当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物小于系统本底噪声，对于ZXPCS大基站项目由于最大输入信号小于-44dBm，考虑到放大器13dB左右增益，我们选取了ATF34143 场效应管它的增益可达15dB，OIP3为30dBm左右。

2.2输入输出匹配电路的设计原则
输入、输出匹配时，噪声并非最佳。

相反有一定失配，才能实现噪声最佳。

对于MES FET（金属半导体场效应晶体管）来说，其内部噪声源包括热噪声、闪烁噪声和沟道噪声。

这几类噪声是相互影响的，综合结果可归纳为本征FET栅极端口的栅极感应噪声和漏极端口的漏极哭声两个等效噪声源。

这两个等效噪声源也是相关的，如果FET输入口（即P1面）有一定的失配，这样就可以调整栅极感应噪声和漏极噪声之间的相位关系，使它们在输出端口上相互抵消，从而降低了噪声系数。

对于双极型晶体管也存在同样机理。

根据分析，为获得最小的FET本征噪声，从FET输入口P1面向信源方向视入的反射系数有一个最佳值，用Γout表示。

当改变输入匹配电路使呈现
ΓS = Γout
此时，放大器具有最小噪声系数N fmin，称为最佳噪声匹配状态。

输入、输出不匹配时，增益将下降。

因为负载是复数，有可能在不同的负载下得到相同的输出，经分析在圆图上，等增益线为一圆，这个圆叫等增益圆。

当输入匹配电路不能使信源反射系数ΓS和最佳反射系数Γopt（噪声系数最小时的反射系数）相等时，放大器噪声将增大。

由于ΓS是复数，不同的ΓS值有可能得到相同的噪声系数，在圆图上噪声系数等值线为一圆，叫等噪声圆。

如下图2.2所示：
图2.2 等噪声圆、等增益圆示意图
2.3电路中需要注意的一些问题
一般对于低噪声放大器采用高Q值的电感完成偏置和匹配功能，由于电阻会产生附加的热噪声，放大器的输入端应尽量避免直接连接到偏置电阻上。

用于低噪声放大器的印制板应具有损耗小，易于加工，性质稳定的特点，材料的物理和电气性能均匀（特别是介电常数和厚度），同时对材料的表面光洁度有一定要求，通常我们可以采用以FR-4（介电常数4~5之间），为基片的板材，如电路要求较高可采用以氧化铝陶瓷等材料为基片的微波板材，在PCB布板中则要考虑到邻近相关电路的影响，注意滤波、接地和外电路干扰问题设计中要满足电磁兼容设计原则。

3.电路设计与结果
3.1设计指标
将要设计的超宽带低噪声放大器的指标：
工作频率： 0.35GHz～2.5GHz ，增益： G>25dB，增益不平坦度小于±1.5dB
噪声系数： NF<1.1，输入、输出驻波比 VSWR<2.0，基板板材的相对介电常数为2.65，厚度h 为1mm
3.2 设计方案(电路原理图见附录)
在射频领域中，设计宽带放大器的主要障碍是受到有源器件增益与带宽乘积的制约。

文
献2 中指出了任何有源器件的增益在高端都具有逐渐下降的特征，其原因是双极结晶体管的基极－集电极电容或场效应晶体管的栅极－源极电容和栅极－漏极电容。

当工作频率达到
晶体管的截止频率f T后，晶体管失去了放大器功能而变成了衰减器。

由于放大管的S21不可能在宽频带内保持为常数，所以必须采取补偿措施。

除了正向增益S21降低之外，在设计宽带放大器方面存在的其他困难包括：
（1）反向增益S21增加，这将使放大器的整体增益进一步降低，并使器件进入振荡状
态的可能性增加；
（2）S11， S22随频率而变化；
（3）在高频下噪声系数恶化。

为了解决这些问题，可以采用频率补偿匹配网络，平衡放大器和负反馈技术等。

频率补偿匹配网络这种方法设计相当困难，几乎全靠经验，平衡放大器主要是增加了电路尺寸和由于耦合器带宽造成的频率响应劣化。

综合考虑下，本文采用负反馈技术将获得平坦的增益响应和较低的噪声系数。

根据指标要求，可以选用安捷伦公司生产的放大管ATF－54143，该管具有噪声低，增益高，频率范围宽的特点。

该管在0.3～2.5GHz 的工作频率范围内，直流工作点为Vds＝
3V,Ids=60mA 时，单级的增益约为17dB ，为了实现指标G>25dB，可以采用两级放大的形式且均用该管，并使用微带线与集总元件实现匹配和传输。

设计时，如果按最小噪声设计放大器，输入端不是共扼匹配，会造成输入驻波比差，增益低，带内增益平坦度也不好。

多级放大器每级侧重解决一个指标，则整个放大器可获得满意的结果。

因此，噪声匹配网络的设计应使第一级放大器的输入网络在很宽频带内达到或接近最佳噪声匹配，同时，对增益的平坦特性要有一定的补偿。

级间匹配网络的设计应使放大器的幅频特性为最佳平坦。

尽量使第一级的增益相对最大，第二级的入口的反射系数最小，以保证后级放大器取得较高的增益，并使它对噪声的贡献最小。

3.3仿真结果
经过以上分析，并多次调试，可以得出图2所示（见附录）的仿真原理图及仿真结果。

由仿真结果可以看出放大器在0.35～2.5GHz的工作频带内，稳定系数k均大于1.9。

噪声系数NF小于1.1，输入驻波比VSWR1、输出驻波比VSWR2均小于2。

带内增益>25.725dB,增益不平坦度为±1.25dB。

均达到了设计指标。

4 结论
根据对低噪声放大器的主要特性指标的分析，设计超宽带低噪声放大器的匹配网络，并
使用仿真软件ADS2003C进行优化，得出在0.35-2.5GHz的工作频带内，增益G>25dB,增益不平坦度为±1.25dB，噪声系数 NF<1.1dB，输入、输出驻波比 VSWR1（VSWR2）<2.0的超宽带低噪声放大器。

验证了设计方法的高效性。

本文创新点：使用负反馈技术，设计出超宽带低噪声放大器，使在0.35-2.5GHz的宽范
围的工作频带内，放大器具有增益较高，增益平坦度较优，以及噪声系数小等优点。

参考文献
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[6]葛广顶康红艳.0.35-2.5GHz 超宽带低噪声放大器的设计
附录：
1.电路仿真原理图
2b输入、输出驻波比 2a. 噪声系数
2c稳定系数 2d 增益
附录图低噪声放大器仿真原理及仿真结果图。