基于ADS的接收机低噪声放大器优化设计与验证*

殷 璐

（解放军91404部队，河北 秦皇岛 066001）

0 引 言

低噪声放大器（LNA）是通信接收机前端的主要部件。接收机的灵敏度由其噪声系数（NF）决定，而多级系统的噪声系数又主要由位于第一级的低噪声放大器决定，这就要求低噪声放大器的噪声系数越小越好。同时，为了放大微弱信号和抑制后面各级的噪声影响，还要求低噪声放大器具有一定的增益。因此，噪声和增益指标都很重要。但是，在低噪声放大器设计过程中，最小噪声系数和最大增益匹配不能同时实现，需要进行权衡优化。所以，低噪声放大器的设计优化对提高接收机灵敏度水平起着关键性作用。

本文的设计采用NPN型低噪声射频晶体管，其相对于FET晶体管，具有高增益、低噪声优势。通过在输出端口增加并联阻抗的方式，提高了放大器的稳定性，同时综合考虑噪声系数和阻抗匹配，优化了输入输出匹配网络。ADS软件的仿真结果验证了，本设计较好地兼顾了噪声系数、增益和稳定性的要求。

1 低噪声放大器设计的主要考虑因素

1.1 噪声系数

有噪系统的噪声性能可用噪声系数的大小来衡量。噪声系数定义为放大器输入端信噪比与输出端信噪比的比值。在通信接收机中，射频信号要经过低噪声放大器、滤波器、混频器和中频放大器等模块的传输。每个模块都有固有噪声，都对接收机整体的信噪比有影响。对于这种多级线性网络的级联，其噪声系数[1]为：

其中FT为多级线性网络的整体噪声系数，F1、F2、F3分别为第1、第2、第3级网络的噪声系数，G1、G2分别为第1、第2级的增益。由此可见，当第一级增益G1足够大时，后续各级噪声得到抑制，系统整体的噪声系数接近于第一级的噪声系数。

作为第一级的低噪声放大器，其噪声系数可表示为[2]：

其中YS=GS+jBS为放大器源端的实际导纳，Yopt=Gopt+jBopt为使噪声系数达到最小值（Fmin）的最佳源导纳，RN为放大器的等效噪声电阻。式（2）表明，放大器的噪声系数与源端导纳有关，而与负载导纳无关。导纳与反射系数的关系为：

式中Z0为参考阻抗，ΓS为放大器的源反射系数。将式（3）代入式（2）并进行变换，可得到Smith圆图上一个关于ΓS的圆方程。圆心坐标和圆半径、固定的噪声系数有关。噪声系数最小时，圆半径等于0，圆心为与最小噪声系数对应的源反射系数，同时也是Smith圆图上导纳为Yopt的点。低噪声设计的目标就是要使放大器源端的实际导纳达到或尽量接近该点。

1.2 功率增益

根据放大器的输入输出阻抗匹配情况，放大器的功率增益有三种定义[2]，分别为工作功率增GP（Operating Power Gain）、转换功率增益GT（Transducer Power Gain）和资用功率增益GA（Available Power Gain）。其中，工作功率增益为输入、输出阻抗值任意时，负载的实际功率与输入功率之比；转换功率增益为负载功率与资用功率（输入端达到阻抗匹配时的输入功率）之比；资用功率增益为放大器输出端达到阻抗匹配时的负载功率与资用功率之比。

图1 放大器二端口网络结构

在如图1所示的放大器二端口网络中，放大器的射频特征用散射参数（S参数）表征，ΓS、ΓIN、ΓOUT、ΓL分别为源、输入端、输出端和负载的反射系数。三种定义的功率增益的最大值是一致的，但在放大器设计的应用场合有所不同。对于固定增益的放大器设计，主要有以下两种方法：

（1）单向化设计法：当放大器的反馈效应很小可以忽略，即散射参数S12≈0时，可采用单向化设计方法，基于转换功率增益推导出单向化最大功率增益、Smith圆图上关于ΓS的输入等增益圆和关于ΓL的输出等增益圆。这两个等增益圆的圆心坐标和圆半径与需要达到的功率增益有关。单向化设计时，放大器的输入、输出匹配网络即ΓS、ΓL是各自独立的。可以根据需要达到的功率增益指标，独立确定所需的输入、输出等增益及ΓS、ΓL在各自等增益圆上的位置，从而确定输入匹配网络、输出匹配网络。

（2）双向化设计法：当放大器的反馈效应不能忽略时，放大器的输入、输出匹配网络是互相影响的，ΓS、ΓL只要确定一个，另一个随之确定。因此，采用双向化设计法既可以通过工作功率增益推导出关于ΓL的等功率增益圆，也可以通过资用功率增益推导出关于ΓS的等资用功率增益圆，从而确定匹配网络。

为便于与最小噪声系数比较，本文选择资用功率进行双向化设计。资用功率增益[2]可表示为：

式中：

对式（4）进行变换，可得到一个关于源反射系数ΓS的圆方程，圆心坐标和圆半径与需要达到的功率增益有关。资用功率增益达到最大时，圆半径等于0，圆心为与最大功率增益对应的源反射系数。

1.3 稳定性

由于反射波的存在，射频放大器在某些工作频率或负载条件下有产生异常震荡的倾向。因此，在低噪声放大器设计时，必须分析其稳定性。稳定性取决于晶体管S参数和输入输出的反射系数，而输入输出的阻抗与频率有关，晶体管的S参数也与频率及偏置条件有关。当晶体管的工作频率和偏置条件确定时，若满足：

和Rollett稳定性因子：

放大器绝对稳定[3]。

当放大器不是绝对稳定时，可采取在输入或输出端口增加串联或并联电阻的方式，使其进入稳定状态。由于晶体管输入端增加电阻会增大放大器的噪声系数，一般在输出端增加电阻使放大器稳定。

2 电路设计与仿真

本文的设计采用摩托罗拉公司出品的MMBR941晶体管。该型晶体管具有高增益、低噪声等优点，适用于低噪声放大器的设计。

2.1 偏置电路设计

在低噪声放大器设计前，首先要确定静态工作点和偏置电路。静态工作点的选择直接关系到低噪声放大器的性能。查阅MMBR941的数据手册，可以全面分析该晶体管的传输特性。它在VCE=6.0V，IC=5.0 mA条件下，工作频率1 GHz时，可以获得1.5 dB的噪声系数和14 dB的资用功率增益（典型值）；工作频率2 GHz时，可以获得2.1 dB的噪声系数和8.5 dB的资用功率增益（典型值）。确定静态工作点后，可使用ADS软件的Design Guide工具进行偏置电路的辅助设计[4]，具体电路实现见图2。

图2 偏置电路

2.2 增益和噪声系数分析

本文利用等资用功率增益圆和等噪声系数圆相结合的方法分析增益和噪声。ADS软件中可以分别使用Gacircle和Nscircle控件在Smith圆图上绘制等资用功率增益圆和等噪声系数圆。取工作频率为1.8 GHz，对偏置电路进行S参数仿真，结果如图3所示。其中，虚线绘制的是等资用功率增益圆，m1为最大功率增益点，增益为11.509 dB；实线绘制的是等噪声系数圆，m2为最小噪声系数点，噪声系数为2.577 dB。此外，图中标出了m1、m2两点的阻抗值。由于最大功率增益和最小噪声点不重合，设计需要综合考虑功率增益和噪声系数。

图3 等增益圆和等噪声系数圆

2.3 稳定性分析与设计

ADS软件中可以使用稳定性测量控件StabFact，计算Rollett稳定性因子。在电路原理图中加入该控件对偏置电路进行仿真，得到稳定系数结果如图4所示。可以看到，在1～3 GHz的工作频带中，高于2.6 GHz的频段稳定性因子小于1，处于潜在的不稳定状态。为此，在放大器负载端并联了一个200 Ω的电阻和一个1 nH的电感，以提高放大器的稳定性。增加稳定性措施后重新进行仿真，稳定性因子的最小值仍在3 GHz处，从0.97提到了1.405，确保了工作频带内放大器的稳定。

图4 稳定性因子曲线

2.4 匹配电路设计

为使放大器噪声系数较小，本文首先按照最小噪声系数点m1的阻抗值对输入端网络进行匹配。匹配电路由微带线实现，具体参数为：基板厚度为0.8 mm，相对介电常数为4.3，相对磁导率为1，电导率为5.88E+7，导体层厚度为0.03 mm，损耗角正切为0.001。在ADS软件中，选择单支节网络进行匹配。通过Design Guide工具进行辅助设计，输入匹配电路见图5。电路由1个T型结Tee1和2段微带线TL1、TL2构成，而计算得到的微带线长度已列在图上。输出匹配电路按照放大器输出阻抗进行匹配，设计方法与输入匹配电路相同，不再赘述。电路由1个T型结Tee2和2段微带线TL3、TL4构成。

图5 输入匹配电路

对完整的电路进行S参数仿真，1.8 GHz处参数S21（增益）为8.294 dB，参数S11、S22在工作频带内的轨迹曲线见图6，分别为实线和虚线。可以看到，在1.8 GHz频率上输出端阻抗（m4点）基本匹配到Smith圆图中心点，而输入端由于按照最小噪声设计匹配不够良好。正因如此，放大器的噪声系数达到了理论最小值2.734 dB，见图7。其中，虚线为工作频段内最小噪声系数曲线，实线为实际噪声系数曲线，二者在m5点相切。

图6 S11和S22曲线

图7 噪声系数对比

3 仿真优化

上述设计中，输入端由于按照最小噪声设计导致匹配不够良好，电路还具有进一步提高增益的潜力。利用ADS软件的优化功能，在电路原理图中增加Optim优化控件和3个Goal目标控件。优化对象为TL1～TL4四段微带线的长度，3个优化目标分别为S11、S22和噪声系数。最终设计的电路如图8所示。

图8 优化电路

对图8所示电路进行S参数仿真，1.8 GHz处参数S21（增益）为8.359 dB，参数S11、S22在工作频带内的轨迹曲线见图9，两轨迹交于m6点，即在1.8 GHz频率上输入、输出端阻抗基本匹配到Smith圆图中心点。放大器的噪声系数为2.781 dB，略高于理论最小值2.734 dB，见图10。

图9 优化后的S11和S22曲线

图10 噪声系数对比

4 结 语

本文分析了低噪声放大器设计时需考虑的主要因素，提出了一种最小噪声匹配和输出阻抗匹配相结合的设计方法。运用该方法，在ADS软件中设计了低噪声放大器的偏置电路、稳定性电路以及输入、输出匹配电路，并采用仿真优化工具对匹配电路的参数进行了进一步优化。仿真结果显示，该设计能够在工作频率范围内得到较低的噪声系数和较高的增益，可为实际工程应用与实践提供较好的借鉴作用。

参考文献：

[1] 陈邦媛.通信射频电路[M].北京:科学出版社,2006:68-70.CHEN Bang-yuan.Communication RF Circuit [M].Beijing:Science Press,2006:68-70.

[2] Reinhold Ludwig.射频电路设计[M].北京:电子工业出版社,2013:316-336.Reinhold Ludwig.RF Circuit Design[M].Beijing:Electronics Industry Press,2013:316-336.

[3] Christopher Bowick.射频电路设计[M].北京:电子工业出版社,2015:168-182.Christopher Bowick.RF Circuit Design[M].Beijing:Electronics Industry Press,2015:168-182.

[4] 黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用[M].北京:人民邮电出版社,2010:329-331.HUANG Yu-lan.ADS Annotation on RF Circuit Design[M].Beijing:Posts & Telecom Press,2010:329-331.