C频段低噪声放大器的设计

毕娜娜，刘德喜

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

引 言

低噪声放大器（LNA）的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号[1]，减小噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据。

系统带宽（BW）和信噪比（S/N）一旦确定，对系统灵敏度起决定作用的就是噪声系数（NF）了，所以处在接收机前端的低噪声放大器的噪声大小在整个接收机中起关键作用，直接决定了接收机的灵敏度。

低噪声放大器的设计目标是，在达到需求的较低噪声目标前提下，获得尽可能高的增益。由于最大功率增益和最小噪声系数以及低回波损耗等各项指标不能兼得，大多数情况下，需要在电路设计及仿真时，对各项指标按照需求进行合理调谐。

采用S参数设计小信号放大器一般分为直流[2]设计、射频设计、总体示意图设计三个步骤。工作频率范围至少高达25GHz的金属半导体场效应晶体管[3]（MESFET）和高电子迁移率晶体管（HEMT）很适合设计小信号放大器，本文选用的NE334S01便属于场效应晶体管。本文采用S参数仿真设计低噪声放大器，将场效应管看成一个黑盒子[4]，从系统和网络的角度出发来设计放大器。

1 C频段低噪声放大器的设计

本文的C频段低噪声放大器选用两个NEC公司的场效应管NE334S01级联组成。NE334S01是N沟道场效应管，在C频段拥有优越的噪声特性和较高的可用增益。

表1 NE334S01噪声、增益与频率的参数关系Table 1 The parameter relations among the noise，gain and frequency of NE334S01

如表1中数据所示，NE334S01在3.6GHz～4.2GHz这个工作频率范围内能够达到的最小噪声系数约为0.3dB，而预期要达到的噪声温度为45K（对应噪声系数0.63dB），因此两级NE334S01级联的噪声性能能够满足我们的设计需求。同时，单个NE334S01的增益约为16dB，两级级联后增益大于30dB，也能够满足设计要求。

1.1 偏置电路设计

放大器电路中必不可少的电路单元是有源或无源偏置网络，偏置的作用是在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态工作点，并抑制晶体管参数的离散性[5]，以及温度变化的影响，从而保持恒定的工作特性。偏置网络有无源网络和有源网络两大类。

无源网络即自偏置网络，是最简单的偏置电路，通常在源级串联电阻构成，它为射频晶体管提供合适的工作电压和电流。这种无源偏置网络的主要缺点是对晶体管的参数变化十分敏感，并且温度稳定性较差。

C频段低噪声放大器的偏置电路采用无源偏置网络，在栅极供负电-2V，在漏极供电+5V，通过加入电阻网络，调整栅压为-0.4V～-0.5V，电流约为15mA，漏极电压约为2V。

1.2 ADS仿真设计

射频放大器的设计与常规低频电路的设计方法不同，需要考虑一些特殊的因素。放大器的设计要求入射电压波和入射电流波都与有源器件良好匹配，以降低输入端的驻波比，此外还需要利用合理的匹配网络避免放大器发生振荡，使放大器处于稳定区。所以，稳定性分析、增益圆、噪声系数圆等都是放大器电路设计的基本要素，依据这些要素才能设计出符合增益、增益平坦度、输入输出驻波比、输出功率、使用带宽等要求的放大器。

本文的C频段低噪声放大器仿真设计，旨在获得较好的噪声性能。在整个链路中，第一级放大器的噪声起关键作用，所以第一级场效应管以获得最佳噪声为设计目标，第二级场效应管以获得较大功率增益为设计目标。

除了要兼顾增益和噪声两项重要指标外，还需要考虑输入驻波比小于1.5：1这一十分苛刻的指标要求，对各项指标进行调谐。图1为C频段LNA电路在ADS2011中的仿真原理图。

图1 C频段LNA电路仿真原理图Fig.1 C-band low noise amplifier’s circuit simulation diagram

第一级除了要按照最佳噪声匹配到最佳噪声时的反射系数Γopt外，还要在其源极引入一定的负反馈，使Γopt和输入反射系数Γin在smith圆图上的位置更为接近。这虽然损失了一定的增益，但可以在获得最佳噪声性能的同时实现较低的输入驻波比。第二级NE334S01的源极直接就近接地，没有负反馈，匹配电路的设计原则是第二级的输入阻抗与第一级的输出阻抗相匹配，使信号获得最大传输，补偿第一级损失的增益，同时有助于整个电路驻波比的优化。

图2为增益仿真结果。可见，在工作频带内最大增益约为29.0dB，最小增益为28.8dB，满足设计要求（30±2）dB。

图3为输入回波损耗的仿真结果。在工作频带内输入回波损耗均小于-14dB，满足设计要求（小于1.5：1，即 -14dB）。

图4为噪声系数仿真结果。在工作频带内噪声系数均小于0.4dB，满足设计要求（噪声温度低于45K，对应噪声系数小于0.63dB）。

图5为输出回波损耗仿真结果。在工作频带内输出回波损耗均小于-14.2dB，满足设计要求（小于1.5：1，即-14dB）。

图2 S21仿真结果Fig.2 Simulation result of S21

图3 S11仿真结果Fig.3 Simulation result of S11

图4 NF仿真结果Fig.4 Simulation result of NF

图5 S22仿真结果Fig.5 Simulation result of S22

1.3 稳定性设计

在放大器设计中，不同的源和负载条件下电路的稳定性[6]是很重要的。稳定性是指放大器在温度、信号功率、源及负载等环境因素变化比较大的情况下依旧保持正常工作特性的能力。

对于C频段低噪声放大器这种两端口的网络，稳定性分析仅仅适用于两端口对外部阻抗的敏感性问题，不适用于分析内部振荡。所以即使一个多级放大器的总稳定因子大于1，它也有可能振荡，必须对包含有源器件[7]的所有内部两端口网络都进行稳定性分析。将两个稳定的放大器串联起来才是真正稳定的低噪声放大器。

第一、二级放大器稳定因子仿真结果如图6、图7所示。可见，第一级和第二级放大器的稳定因子均大于1。根据稳定性理论，这两个放大器级联起来的低噪声放大器稳定性能够达到要求。

图6 第一级放大器稳定因子仿真结果Fig.6 The simulation result of the first stage amplifier’s stability factor

图7 第二级放大器稳定因子仿真结果Fig.7 The simulation result of the second stage amplifier’s stability factor

2 实测结果及分析

2.1 实物制版图

根据ADS 2011仿真计算，采用εr=3.38、H=0.8mm的Rogers 4003介质基板，利用软件的调谐功能对各项指标进行优化，根据优化结果制作60mm×30mm的实物印制板，如图8所示。

图8 实物版图Fig.8 Actual PCB layout

2.2 测试结果

对实物进行指标测试，测试结果如表2所示。

测试仪器：N5230A矢量网络分析仪和N8765A噪声系数测试系统。

表2 测试结果Table 2 Test results

由表2测试结果可以看出，测试指标基本与仿真结果吻合，满足设计要求。实测结果与仿真数据之间存在一定的差异，主要是因为器件具有一定的离散性，与厂家提供的数据不能完全吻合，此外结构以及接插件带来的影响无法纳入仿真计算。

3 结束语

设计放大器需要考虑的性能有很多，其中最重要的指标是噪声系数、功率增益、稳定性、驻波比、输出功率1dB压缩点等。利用ADS仿真软件建立精确的器件仿真模型[8]，对电路性能进行模拟，得到的结果可以缩短研发周期、提高设计效率。仿真及实测结果显示，本文设计的C频段低噪声放大器能够满足接收系统要求，其设计方法和理论计算具有借鉴意义。

[1] 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2009：141.

[2] George D V，Anthony M P，Ulrich L R.Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques[M].北京：电子工业出版社，2010：270.

[3] Andrei Grebennikov.RF and Microwave Power Amplifier Design[M].北京：电子工业出版社，2006：58.

[4] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京：科学出版社，2002：181.

[5] Reinhold Ludwig Gene Bogdanov.RF Circuit Design[M].北京：电子工业出版社，2013.

[6] 拉德马内斯M M.Radio Frequency and Microwave Electronics Illustrated[M].北京：科技出版社，2006：367.

[7] Inder Bahl Prakash Bhartia.Microwave Solid State Circuit Design[M].北京：电子工业出版社，2006：361.

[8] 陈艳华，李朝晖，夏玮.ADS应用详解[M].北京：人民邮电出版社，2009：62.