低噪声放大器的仿真设计

一、实验目的

1、了解低噪声放大器的工作原理及设计方法。

2、学习使用ADS软件进行微波有源电路的设计，优化，仿真。

3掌握低噪声放大器的制作及调试方法。

二、设计思想

LNA 是射频接收机前端的主要部分，它主要有四个特点。首先，它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在工作频段内应该是稳定的。其次，它所接受的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是一个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接受信号的同时又可能伴随许多强干扰信号输入，因此要求放大器有足够的线型范围，而且增益最好是可调节的。第三，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线滤波器相连，放大器的输入端必须和他们很好的匹配，以达到功率最大传输或者最小的噪声系数，并保证滤波器的性能。第四，应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰，因此它一般是频带放大器,所以必须LNA的指标进行综合折中考虑。

三、理论分析

1、S参数，也就是散射参数。是微波传输中的一个重要参数。S12为反向传输系数，也就是隔离。S21为正向传输系数，也就是增益。S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。、

2、纹波指通带内信号的平坦度，即通带内最大衰减与最小衰减之间的差值，习惯上转换为用dB表示。

3、插入损耗：在理想情况下，射频电路中的理想滤波器在通带内是没有任何功率损耗的，然而在实际的工程设计中，不可能完全消除滤波器固有的一些功率损耗。滤波器插入损耗及描述了通带内的功率损耗大小，其表达式为

IL=-10log(Pin/Pl)

对于一般的双端口网络而言，插入损耗A定义为：网络输出端接匹配负载时，网络输入端的入射功率Pin和负载吸收功率Pl之比。即

A=Pin/Pl=1/|S21|2.

因此，滤波器的插入损耗也可以用散射参数S21来定义：

IL=-10log(Pin/Pl)A=Pin/Pl=1/|S21|2=-10log|S21|2

所以经计算要使4GHz插入损耗大于20dB即4GHz处S21<-20dB.

4、在输入输出端口要端接特性阻抗为50Ω的SMA或SMB端子，保证输入输出阻抗50Ω。

6.为了保证信号通带内的良好传输，通带内的纹波损耗尽量降低，本次设计将降低到-15dB以下。

7.工作频率与带宽

放大器所能允许的工作频率与晶体管的特征频率fT 有关，由晶体管小信号模型可知，减小偏置电流的结果是晶体管的特征频率降低。在集成电路中，增大晶体管的面积使极间电容增加也降低了特性频率。

LNA 的带宽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声要满足要求，并给出各频点的噪声系数。

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。

8.增益

根据线型网络输入、输出端阻抗的匹配情况，有三种放大器增益：工作功率增益GP(operating power gain) 、转换功率增益GT(transducer power gain)、资用功率增益GA（available power gain）。

低噪声放大器的增益要适中，太大会使下级混频器输入太大，产生失真。但为了抑制后面各级的噪声对系统的影响，其增益又不能太小。放大器的增益首先与管子跨导有关，跨导直接由工作点的电流决定。其次放大器的增益还与负载有关。低噪声放大器大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，以此增益G 要下降。噪声最佳匹配情况下的增益成为相关增益。通常，相关增益比最大增益大约低2-4dB。增益平坦度是指功率最大增益与最小增益之差，它用来描述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。

四、基本设计步骤

1.晶体管直流工作点扫描

2、晶体管S参数扫描(sp模型)

3、SP模型仿真设计(构建原理电路) 3.1输入匹配设计

3.2输出匹配设计

4、优化设计

图中存在一定频偏，需要进行调谐。

5、调谐

调谐的参数设置如下。

6再次仿真

该步需要与第5步同时进行，即需要边调谐边仿真，直道仿真结果达到要求。

频偏减少，数据得到优化

7、Layout版图

版图生成后要观察是否有过于细小的微带线，一般实验室的化学腐蚀或光腐蚀工艺对宽度<15mil的制作存在困难，所以应当尽量避免过窄的微带线。

9、生成PCB版图并制作PCB板。

五、心得体会

在这次实验中，我学到很多东西，加强了我的动手能力，并且培养了我的独立思考能力。特别是在做实验报告时，因为在做数据处理时出现很多问题，如果

不解决的话，将会很难的继续下去。

低噪声微波放大器（LNA）已广泛应用于微波通信、GPS 接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗、射电天文、大地测绘、电视及各种高精度的微波测量系统中，是必不可少的重要电路。低噪声放大器位于射频接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的低电压信号进行小信号放大。前级放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响最大，它的增益将决定对后级电路的噪声抑制程度，它的线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑制比产生重要影响。对低噪声放大器的基本要求是：噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好、足够的带宽和大的动态范围。

实验后,还要复习,思考,这样,你的印象才深刻,记得才牢固,否则,过后不久你就会忘得一干二净,这还不如不做.做实验时,老师还会根据自己的亲身体会,将一些课本上没有的知识教给我们,拓宽我们的眼界,使我们认识到这门课程在生活中的应用是那么的广泛