浅谈低噪声放大器的设计

浅谈低噪声放大器的设计
摘要为提高低噪声放大器的增益，降低接收机系统的噪声系数，宜采用多级低噪声放大器。

本文介绍了低噪声放大器的设计方法及单级低噪声放大器间的级连方式，详述了采用传输短接线方式进行级间匹配级连的过程，通过比较传输短接线和匹配网络两种级连方式的效果，建议电子设备应根据接收机系统对噪声和增益指标的要求来合理选择低噪声放大器间的级间方式，以达到经济实用设计功效。

关键词低噪声放大器;级连;匹配;S参数;增益平坦度
前言
随着电子科技工业的飞速发展，对雷达、通信、电子对抗、遥感测控等系统技术的要求也越来越高，功率辐射小，稳定性好，频带宽，作用距离远等技术已成为电子装备科研生产单位的普遍追求，这对系统的接收灵敏度也提出了更高的要求。

1 接收机系统灵敏度
接收机系统灵敏度即接收机系统可以接收到的并仍能正常工作的最低信号强度，为保持接收机正常工作的最小可接收信号强度，灵敏度可用功率来表示。

我们知道，如果没有噪声，那无论多么微弱的信号，只要充分地加以放大，信號总是可以被检测出来的。

但在实际应用中，噪声是不可避免存在的，它与微弱信号一起被放大或被衰减，影响着接收机对信号的辨别，噪声成为限制接收机灵敏度的主要因素，因此，接收机的低噪声设计就显得尤其重要。

接收系统灵敏度的计算公式如下：
P=kTOBNF（W）（1）
式中，k为波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K，TO为接收机工作环境的绝对温度，TO=290k，B为系统带宽，NF为接收机噪声系数，P为最小可检测功率。

由公式（1）可知，在系统带宽确定、工作环境相对稳定的通信系统中，要提高系统灵敏度（最小可检测功率越小），关键就是降低接收机的噪声系数NF。

接收机的噪声系数是由位于接收机最前端的放大器决定的，也即我们通常所说的低噪声放大器，低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收来的微弱信号，降低噪声的干扰，使系统能解调出所需的信息数据[1]。

单级放大器的增益一般不能满足系统接收机的要求，通常需要采用多级放大器来达到系统接收机对增益要求。

对多级放大器而言，其噪声系数的计算公式为：
NF = NF1+（NF2-1）/G1
+（NF3-1）/G1G2+……
+（NFn-1）/G1G2…Gn-1 （2）
其中NFn为第n级放大器的噪声系数，Gn为第n级放大器的增益。

2 单级低噪声放大器的设计
单级低噪声放大器设计方法如下：
（1）选取高增益、低噪声及动态范围足够大的低噪声放大管
目前，GaAsFET（或PHEMT）型场效应晶体管噪声系数，在2GHz时为0.5dB 左右，工作频率可达到6GHz。

选取ATF34143型场效应晶体管（通常要求低噪声放大器的增益在10dB以上），其增益可达15dB，可满足要求。

（2）确定稳定因子K
K= （3）
其中S12为内部反馈量，S21为微波晶体管的放大倍数，参数S11为输入反射系数、S22为输出反射系数。

S12表示微波晶体管的内部反馈量，由于微波场效应晶体管内部不同程度地存在着内部反馈，其值越大，晶体管内部反馈越强，当达到一定强度时，放大器的稳定性就会变差，甚至产生自激。

S21是微波晶体管的放大倍数，其值越大，经其放大后的功率越大。

在反馈系数S12相同的情况下，S21越大，反馈功率也越大，因此，S21也影响放大器的稳定性。

对于特定的微波晶体管，参数S11、S22是确定的。

单个微波晶体管的射频稳定的条件是：
K= >1 （4）
（5）
（6）
K>1，放大器处于稳定状态，但只有上述三个条件都满足时，放大器才处于
绝对稳定状态，因此，还必须选择和设计放大器的偏置电路及与输入输出相匹配网络;
如果K<1，则应在反射平面上给出不稳定区域，以便在选择和设计时能避开不稳定区域的匹配网络;
（3）计算性能参数
利用分析的方法或计算机辅助设计（CAD）手段来计算放大器的性能参数，验证放大器在带内和带外的稳定性。

根据上述步骤，单级低噪声放大器进行50Ω匹配设计的电原理图如图1所示。

该电路利用ATF34143型场效应晶体管进行设计，通过ADS仿真优化匹配后，得到在L波段的低噪声放大器，其带宽200MHz，噪声系数为0.8dB，带内波动为0.5dB，增益为14dB[2]。

3 低噪声放大器的级连匹配方式
一般接收机前端组件需要的增益都在30dB以上，单级低噪声放大器的增益只有14dB，不能满足系统要求，必须进行级间连接（以下简称级连）。

在进行多级放大器级连设计时，首先需要确定放大器的级连方式。

放大器级连方式一般可以分为两类：一类是每级设计成有输入输出匹配网络的单级放大器，级间采用传输短接线连接;另一类是级间用一个匹配网络直接连接。

前者便于根据增益要求任意增减级数，但缺点是结构较松散;后者结构紧凑，但不便任意增减级数。

在低噪声放大器级连设计过程中，还应充分考虑匹配问题，除考慮输入输出间匹配，还应考虑级间匹配，这样才能达到最佳的设计效果，级间失配会对低噪声放大器的各项指标产生较大影响。

3.1 传输短接线级连方式
如果使用上述多个相同的ATF34143管子直接级连，前级与后级会失配，引起信号反射，产生自激，这样设计的低噪声放大器，其指标达不到系统接收机的要求。

为了解决上述问题，通常在两个放大器之间加入适当长度的传输短接线，以得到最接近理想的指标值。

传输线短接级连的多级放大器如图2所示。

图2中是第n个放大级的散射参数;，和，分别是多级放大器的输入和输出功率;是插入在第i级和第（i+1）级之间的传输线的电长度。

根据信号流图，可得出放大器的增益近似为：
（7）
式中：
（8）
其中是传输线波长，是插入传输线的长度，在（8）式中可以忽略的四、六次等高次幂项，这些项由和的乘积组成，在工作频率范围内，≤0.15，且0.3，因此，高次幂的各项都很小[3]。

为了在n级放大器中获得平坦的增益特性，使其级间能得到良好的匹配，可以令中除了第一项外的所有各项相互抵消。

假定所有的放大级相同，则有：
（9）
如果在某个频率上令
（10）
则每一放大级的失配效应便在频率附近受到抑制，因此在这个频率范围内可以获得平坦的增益特性，其值为：
n
为了使（10）式成立，级间插入传输线长度必须满足下列条件：
式中是对应于频率的电导波长。

3.2 匹配网络级连方式
匹配网络直接连接是另一种级连方式，它是在级间加入匹配网络，即在放大器前级输入、级间和末级输出加入匹配网络进行级间匹配设计方式。

假设所选用的微波晶体管都是绝对稳定的，且每只晶体管的S参数都已知，以最大功率增益设计为例，前级以最小噪声系数来设计，后级以最大增益来设计，中间加入50欧姆的匹配网络，在实际设计过程中，一般会选择带衰减的匹配网络，来调节整个低噪声放大器匹配，但这样会使系统增益受损，增益的损耗将导致噪声系数变差，因此此类型级连方式一般不采用[4]。

4 结束语
本文对采用两种级连方式设计的放大器进行了阐述，当放大器对噪声系数要
求比较高时，放大器间宜采用传输线短接级连方式，可获得较高增益和低噪声的放大器效果，从而提高接收机系统的灵敏度。

在实际生产（调试）过程中，采用传输线短接级连方式的加工要比采用匹配网络级连方式的加工难度大，因此，在接收机系统的噪声系数要求不是很高的电子设备中，放大器间通常采用匹配网络形式的级连方式。

参考文献
[1] 天麒.微波低噪声晶体管放大器[M].北京：北京人民邮电出版社，1983：77-78.
[2] 池保勇，单克平，石秉学.CMOS射频集成电路分析与设计[M].北京：清华大学出版社，2006：101.
[3] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京：北京科学出版社，2006：51.
[4] 路德维德.射频电路设计----理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2002：21.。