S波段低噪声放大器的设计

摘 要 本文介绍了低噪声放大器的设计方法，运用理论计算结合软件仿真，得到低噪声放大器的设计模型，然后经过整体仿真和优化，完成整个设计。具有设计准确、指标高、成品率高等优点。

【关键词】LNA 噪声系数 稳定性

1 引言

低噪声放大器（简称LNA）广泛应用于微波通信、电子对抗、遥感遥控等系统中，位于接收系统的前端，对接收到的微弱信号进行线性放大，在LNA的设计过程中，需注意以下几个方面：稳定性设计、噪声系数、增益、端口驻波比、匹配电路及动态范围，其中稳定性直接关系到系统工作的可靠性与稳定性，噪声系数直接决定着系统的灵敏度性能。

本文设计一款S波段LNA，并利用CAD技术进行低噪声放大器的设计仿真。

2 低噪声放大器的设计理论

2.1 稳定性分析

在工作频率范围内的稳定性是设计LNA时首先考虑的因素，判断LNA绝对稳定的条件如下：

其中，K为稳定系数；S11为输入端反射系数；S22为输出端反射系数；S12为反向传输出系数；S21为正向传输系数。

实际设计过程中根据上式计算放大器是否稳定较为复杂，一般在仿真软件中可以直接使用“稳定性判断插件”来判断放大器是否处于稳定状态。

2.2 噪声系数分析

噪声系数定义为放大器的输入信噪比与输出信噪比的比值，即：

其中，NF为放大器的噪声系数；Si/Ni为输入端的信噪比；So/No为输出端的信噪比。通常，噪声系数用分贝数表示，此时：NF（dB）=10lg（NF）

对于多级放大器级联的情况，其级联后的噪声系数的计算如下：

其中，NF为总的噪声系数；NF1为第一级的噪声系数；NF2为第二级的噪声系数；NF3为第三级的噪声系数；G1为第一级的增益；G2为第二级的增益。根据上述公式可知，在进行级联设计时，尽量提高提第一级的增益，且总的噪声系数主要取决于第一级的噪声系数。

2.3 动态范围

为了避免大信号输入时产生非线性失真，在进行LNA设计时，应选择输入三阶交截点较高的器件，至少要比最大输入信号高30dB。

2.4 增益分析

放大器的增益定义为输出功率与输入功率的比值。即：G=PO/Pi。其中，G为放大器的增益；Po为输出功率；Pi为输入功率。提高LNA的增益对于降低整机的噪声系数是非常有利的，但增益过高会影响整个接收机的动态范围，一般来说，LNA增益的确定应根据系统的整机噪声系数、动态范围等综合考虑与分配。

2.5 端口驻波比与匹配网络

端口驻波比表征了LNA输入输出回路的失配情况。通常情况下，LNA为了获得最小的噪声系数，其输入端口采用失配方法，按照最佳噪声匹配来进行设计输入端口的匹配网络是常用的一种设计方法，而输出端口是按照最大输出功率，采用共轭匹配进行设计输出端口的匹配网络，同时端口驻波比越小，越容易与其它设备进行级联。

3 低噪声放大器的设计仿真

本文采用ATF-34143器件设计了一款S频段低噪声放大器，采用仿真软件对其进行稳定性分析与匹配网络的设计。首先对其进行稳定性分析与仿真，仿真原理如图1所示，稳定性仿真结果如图2所示。

从图2中可知，在2.4GHz～2.5GHz范围内，K值小于1，处于不稳定状态，首先对其进行稳定性设计，本例中通过加入反馈网络来改善其稳定性，仿真原理及仿真结果分别如图3、图4所示。

通过图4可知，加入反馈网络后，K值大于1，处于稳定状态，便可以进行器件的输入与输出匹配网络设计。

输入匹配网络的设计：利用Smith圆图工具进行匹配网络的设计，按照最佳噪声系数、采用微带线的方式进行匹配，如图5所示，匹配完成后，将匹配网络加入电路中进行扫频，查看结果，如图6所示。

同理，对器件的输出进行匹配网络的设计与仿真，将输出匹配网络加入电路后，查看整个电路频率响应，电路原理框图如图7所示、电路的频率响应如图8、图9所示。

从最终仿真数据看，电路处于在2.4GHz～2.5GHz工作頻率范围内处于稳定工作状态，输入输出端口驻波均小于1.4，电路增益大于12dB，噪声系数小于0.4dB，所得仿真结果均较为理想。

板材选择聚四氟乙烯，介电常数Er=2.2，厚度0.8mm。射频部分的Layout图见图10。

4 结构实现和工程应用

仿真设计完毕，转化成PCB图并加入馈电网络，印制板固定在屏蔽盒中，完成焊接电装。用矢量网络分析仪进行测试，实际测试结果如表1所示。

比较仿真结果和实际测试结果发现有一定的偏差，因为板材的损耗、加工工艺的误差等因素均会对测量结果产生影响，但总体满足指标。

本低噪声放大器已经应用在实际工程中，指标稳定。

5 结束语

本文对低噪声放大器的设计原理进行了介绍，并结合实际工程要求进行设计，用仿真软件进行原理图仿真、layout设计。实际测试指标满足设计要求。

参考文献

[1]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.RF Circuit Design：Theory and Applications[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2]Inder Bahl，Prakash Bhartia.Microwave Solid State Circuit Design[M].北京：电子工业出版社，2003.

作者简介

王建朝（1978-），男。现为中国电子科技集团公司第54研究所工程师。研究方向为微波通信。

作者单位

中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050081