低噪声放大器设计5GHz

S11 是输出端接负载时的输入电压反射系数；S22 是输入输出端接匹配负载时 的输出端电压反射系数；S21 是输出端接匹配负载时的正向传输系数，|S21|2 代表 功率增益；S12 是输入端反射系数，代表内部反馈的大小。 设计低噪声放大器时，通常是在噪声系数和增益之间权衡，输入输出端会偏 离负载匹配状态，使 S11 和 S22 恶化；同时，低噪声放大器会要求一定的带宽和带 内平坦，在整个频率范围内无法实现匹配。 4)稳定性 在 3)中已讨论， S12 衡量了晶体管的反向传输系数， S12 越大， 内部反馈越强， 反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚至产生自激振荡。一个 微波管的射频绝对稳定条件是:
:微波系统的通频带；M:微波系统允许的信号噪声比；T0 环境温度，293K。 除以上各项外，低噪声放大器的工作频带、线性度、隔离度、功耗等指标也 很重要，设计时要认真考虑。
4、参量选取与优化
工作频带：上述参量均与频率联系密切，工作频带是管子类型和其它参数选 取和优化的前提。 在微波双极晶体管和场效应管工作频带范围外，噪声系数和功 率增益都有十分显著的恶化，因此要结合 S 参数特性来选取管子。
自己选择合适的管子和基片材料，给出详细的设计过程，并提供 电路和加工版图
3、设计参量：
1)噪声系数 NF 放大器的噪声系数 NF 衡量信号通过放大器前后信噪比下降的倍数就是噪声 系数，定义为输入端信噪比与输出端信噪比的比值。
NF
对单级放大器：
Sin / Nin Sout / Nout
NF NFmin 4 Rn
5)输出端匹配
输出端匹配后 S(2,2)有了十分显著的增大，S(1,1)变坏，增益稍有点下降， 输出噪声少量增加。在频段内 S(2，1)离指标还差点,S(1，1)、S(2，2)需改善。 鉴于噪声仍非常小，若不采用最小噪声匹配，还有很大改善空间。
6)优化仿真 利用 ADS 自带的优化仿真功能，通过设置变量，设定优化目标和优化方式后 可以达到优化仿真的目的。原理图、仿真过程和仿真结果下图给出。
此时负载吸收功率 PL 等于放大器输出端资用功率 PLa,放大器的转换功率增益 GT 等于其资用功率增益 Ga。 稳定性：为实现稳定，应较小内部反馈。稳定性判别条件已给。改善微波管 自身稳定性有以下几种方式： 串接阻抗负反馈、 加铁氧体隔离器、 加稳衰减器等。
5、设计过程
1)晶体管特性 对已给出的频率范围， 双极性晶体管或 FET 必须在 f0=5GHz,带宽为 500MHz 的 频带内有够小的噪声系数和足够的增益， 以便采用单级或多级放大形式能达到指 标。在 ADS 软件上用“FET curve tracer”模版或“BJT curve tracer”模版即 可对相应原件进行直流扫描， 或得静态工作点。搭建 S 参数扫描电路可以获得原 件 S 参数和噪声特性。本实验中选用 sp_hp_ATF-10735_2_19921201 场效应管，相应 原理图和仿真结果已给出。 获得静态工作点原理图与仿真结果：
最佳噪声：设计低噪声放大器必须权衡的两个指标是噪声系数和功率增益。 双共轭匹配能获得最大传输功率，同时噪声系数也最大，实现 GTmax(等于 Gmax)的 状态不一定对应 NFmin 状态。 为了实现最佳噪声匹配， 应选择最佳信源反射系数 ， 放大器输入匹配网络因使其满足 。 此时相关增益小于最大资用功率 Gamax。 功率：按最小噪声系数设计放大器时，为了获得尽可能大的增益，输出端常 按共轭匹配设计。输出匹配网络因使端口满足下式：
低噪声放大器的设计
本实验是学习《微波固态电路》第三章“微波晶体管放大器”后，对理论知 识的简单实践。 借助 Agilent 公司的 ADS 软件，利用微带线设计出一个满足一定 设计指标的低噪声放大器。 为完成实验， 软件的学习参考冯新宇编写的 《ADS2009 射频电路与仿真》 和 Agilent 公司发布的 ADS 指导手册；电路模型和相关参数设 置参考喻梦霞老师《微波固态电路》一书附录 II；器件是在同学的指导下进行 的选择。仿照低噪放的一般设计过程，搭建电路原理图及参数设置，向指标逐步 靠近。最后行了优化仿真，并生成版图。 虽然只是在带宽和噪声系数方面作了要求，但是通过设置优化目标，其隔离 度、 输入输出端电压驻波比在较宽的频带内均有较好的特性。此次设计满足了指 标要求，结构简易。 基片材料及晶体管： 晶体管：场效应管，型号 sp_hp_ATF-10735_2_19921201。 介质基片： H 0.8mm Er 4.3 Mur 1 Cond 5.88E+7 Hu 1.0E+33 mm T 0.03 mm Tand 1E-4 Rough 0 mm
这里选取静态工作点为 U0=2.75 V，I0=-0.077 A。 S 参数与噪声特性扫描原理图与仿真结果
由此结果知输入端匹配并不好，增益虽随频率增加下降得很快，5GHz 处有 14.5 dB 增益。希望在满足噪声系数要求下，改善匹配程度能达到大于 20 dB 增 益。噪声在整个频带内都非常小。
此公式计算的是转换功率增益 GT,表示插入放大器后负载实际得到的功率是 无放大器时可能得到的最大功率的多少倍，在频带内基本快达到 20 dB。因 G>GT, 考虑到未匹配和噪声问题，有可能用单级放大器就可达到功率增益要求。 2)获得输入阻抗
为了在输入端进行最佳噪声匹配，需测出晶体管的输入阻抗。原理图和结果如下：
5GHz 处输入阻抗为 24.901+j*8.079 Ohm 3)输入端匹配 输入端因采用最佳噪声匹配形式(因前面得出 sp_hp_ATF-10735_2_19921201 管
噪声特性在整个频段内噪声非常小，功率增益不够，前端匹配情况很差，其实前端也可 采用共轭匹配方式)。原理图和仿真结果如下：
由结果可知，电路已经达到了比较好的特性，较好的增益(离指标还差点)、 噪声和稳定系数。在输出端加匹配网络后，可能会达到指标。若前端不采用最佳 噪声匹配，可以明显提高增益。若输出端匹配后还不能达到指标，则改善输入端 匹配，增大噪声，提高增益。 4)获得输出阻抗 输出阻抗的测试已经包含在步骤 3)中，直接列出仿真结果。
目标设置(未列出权重)
S(1,1) <-10dB 4.5GHz<f<5.5GHz S(2,2) <-10dB 4.5GHz<f<5.5GHz sqr(S(2,1)) >10dB 4.75GHz<f<5.25GHz nf(2) <-3dB 4.75GHz<f<5.25GHz StabFact >1 4.75GHz<f<5.25GHz
| s opt | 2 (1 | s | 2 ) 1 opt | 2
其中 为晶体管最小噪声系数， 是由放大器的管子本身决定的 、 和 分别为获得 时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入 端的源反射系数。 对多级放大器： NF=NF 1 +(NF 2 -1)/G 1 +(NF 3 -1)/G 1 G 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)放大器增益 G： 微波放大器功率增益有多种定义，比如资用增益、实际增益、共扼增益、单 向化增益等。对于实际的低噪声放大器，功率增益通常是指信源和负载都是 50 Ω 标准阻抗情况下实测的增益。
测试输入阻抗
测试输出端阻抗
输出端共轭匹配
能否满足指标？稳定？单级还是多 级？
版图生成与测试
变量范围与优化目标修改
K 1 S11 S22 2 S11S22
2 2 2
1
，
S11 1－ S12S21 ， S22 1－ S12S21
2
2
其中 K 称为稳定性判别系数，K 大于 1 是稳定状态，K=1 时是潜在不稳定状态。 当式中的三个条件都满足时， 才能保证放大器是绝对稳定的。实际设计时为了保 证低噪声放大器稳定工作还要注意使放大器避开潜在不稳定区。 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：
上述仿真结果均达到了设置的目标，由结果知，在增益、噪声、稳定性、较 好的实现了设计指标，并且 S(1,1)、S(2,2)也具有较好特性。
6、生成版图
生成的版图如下：
原理图中相关参数： 变量(最后优化仿真出来的值)
微带宽度 (mm) 微带长度 (mm) w11 1.98 l11 1.48 w12 0.93 l12 0.74 w13 0.94 l13 2.53 w21 1.04 l21 5.92 w22 0.24 l22 1.26 w23 2.06 l23 2.56
输入 vs RS
s ’
Zs a1 b1
s
ZL a2 晶体管[s] b2 输出 匹配 网络 S’22
L
~
S’11
匹配 网络
RL
in
out
L
换功率增益 GS：放大器负载吸收的功率 PL 与信源可用功率之比。其物理意义 是插入放大器后实际得到的功率是无放大器时可能得到的功率的到少倍。 GS、 G0、 GL 分别表示输入匹配网络、晶体管自身、输出匹配网络的增益则有:
三者之间的关系：
GT=G*M1=Ga*M2
并有 M1<=1，M2<=1。则有 GT<G，GT<Ga。双共轭匹配时 M1=M2=1，GTmax=Gmax=Gamax。 仅满足 时，GT=Ga。 3)输入输出驻波比(VSWR)和传输系数 低频小信号下用 S 参数表征微波双极晶体管和场效应管特性， 物理意义十分 明确。
由于晶体管有两种描述方法，一是物理等效电路模型，二是用网络参数来表 示的网络模型，在射频段用最适合的参数——S 参数来表征。本报告是根据老师 提出来的设计指标用 S 参数来完成设计。
2、设计要求：
中心频率 f0 =5 GHz 备注 带宽 fBW =0.5 GHz 噪声 NF <3 dB 增益 G >20 dB
介质基片参数
H 0.8mm Er 4.3 Mur 1 Cond 5.88E+7 Hu 1.0E+33 mm T 0.03 mm Tand 1E-4 Rough 0 mm
7、设计小结
设计过程回顾：
选管子类型与型号 直流扫描得静态工作点 管子 S 参数与噪声特性
是否需要增加稳定性？输入端进行最佳噪声匹配
1、低噪放简介：
低噪声放大器(low-noise amplifier,简称 LNA)是射频接收机前端的主要部 件，低噪声放大器应该有的特点： 第一，因为它位于接受机的最前端，这就要求它的噪声越小越好；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。 第二，它所接收的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必须是一个小信号线 性放大器；而且由于传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同 时又可伴随许多强干扰信号混入，因此要求放大器有足够大的线性范围；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天线滤波器相连，放大器 的输入端必须和他们有很好的匹配，以达到功率最大的传输或最小噪声系数，并 能保证滤波器的性能。 第四，应有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰，因此它一般是频率 放大器。
GT=GS*G0*GL
其中有
当满足传输线匹配时
。只有共轭匹配是才能使 GT 最大。
Байду номын сангаас
资用功率增益 Ga:定义为放大器输出端的资用功率 PLa 与信号资用功率 Pa 之比， 其物理意义是插入放大器后负载可能得到的最大功率是无放大器时可能得到的 最大功率的多少倍。，表示放大器功率增益的一种潜力。它只与晶体管 S 参数和 信源阻抗有关， 而与输出端匹配无关，用以研究信源阻抗变化对放大器功率增益 的影响。此电路模型对应表达式略。 实际功率增益 G:定义为负载 ZL 所吸收的功率 PL 与放大器输入功率 Pin 之比。 它只与晶体管 S 参数和负载有关，而与输入端口的匹配程度无关，便于研究负载 变化对放大器功率增益的影响。