张静秋 顾泽慧 方小坤 扬州市职业大学电子工程学院 江苏扬州 225009
【文章摘要】
低噪声放大器作为移动通信、雷达、遥控遥感系统接收机前端信号处理的重要第一级，对整个接收系统的噪声性能指标的贡献起着举足轻重的作用。以微波低噪声放大器理论知识作为基础，通过ADS 软件的仿真和验证，很好的解决了3dB 耦合器和放大器的级间匹配的问题，成功设计出了3.5GHz 低噪声放大器并达到了设计指标。
【关键词】
低噪声；放大器；平衡式；ADS
0 引言
近年来，无线通讯、卫星通讯、电子对抗及雷达通讯等相关技术有了极大的发展。所以，对接收系统的设计也就提出了更高的要求。在接收系统的设计中，为了得到良好的总体系统性能，必须要有一个性能优越的前端。低噪声放大器(Low Noise Amplifier, LNA) 是无线接收机前端信号处理的第一级，对整个通讯接收系统的性能指标起着举足轻重的作用，所以选择性能指标良好的低噪声放大器有着十分重要的意义。
1 放大器噪声模型
噪声模型就是把放大器的噪声特性用某种电路结构或几个参数抽象出来。该模型可以充分地描述该放大器的噪声特性，可以方便地应用于低噪声放大器的设计。
目前，微波段低噪声放大器设计中， 普遍采用Rn-Gn 噪声模型，该模型在微波放大器低噪声设计中已得到广泛的应用。Rn-Gn 噪声模型见图1。
该模型用等效噪声电阻，等效噪声导纳和复相关系数噪声参数表示。此时存在一个最小噪声系数匹配于最小噪声系数的最佳源导纳，当源导纳不等于最佳源导纳时放大器处于噪声失配状态，这时的噪声系数F 可用放大器的低噪声设计参数表示。即：
（ 1）
2 3.5GHZ 宽带低噪声放大器的设计
2.1 设计指标
本文设计的低噪声放大器的主要设计指标如下：工作频率3.3GHz~3.7GHz， 增益≥ 22dB，增益平坦度≤ 1dB，噪声系数<2.5dB，输入输出驻波比<2。
2.2 晶体管的选用
该放大器选用三菱公司的高电子迁移率晶体管MGF4921AM 进行设计， MGF4921AM 晶体管用于匹配L 和C 波段前端低噪声放大器的HEMT 晶体管， MGF4921AM 晶体管在2.4GHZ 时，最小噪声系数可匹配到0.35dB，增益可达18dB ； 在4GHZ 时，典型噪声系数为0.35 dB，增益可达13dB，符合本设计的放大器频段和噪声系数要求。由于整个放大器的增益要达到22dB, 而单个晶体管的增益不能完成22dB 的设计指标，因此采用两级级联的设计思路，第一级将以最小噪声系数为设计目标，同时兼顾输入驻波比；第二级则主要考虑最大增益，兼顾噪声系数、增益平坦度以及输出驻波比。为了减少噪声匹配时输入端口的失配情况，同时获得较好的输入输出驻波比，改善增益平坦度，本设计将采用平衡式放大器的设计方案。
2.3 晶体管的稳定性的优化
为了防止放大器在同频带内自激振荡，设计放大器前要首先需要考虑管芯的稳定性，根据数据手册中晶体管的S 参数可知，晶体管MGF4921AM 在3.3GHz~3.7GHz 频率范围内，若要求电路稳定应该满足S11 <1，S22 <1，StabFact >1 与0< StabMeas <1 同时成立。通过ADS 软件仿真后，晶体管仿真结果StabMeas 与StabFact 在频段内均不成立，因此必须采用稳定晶体管的措施。
本设计选择在源极串接微带负反馈电路的方法改善晶体管稳定性。在源极串联一个短路微带线，形成负反馈，同时在栅极偏置电路中加入电阻来进一步提高低频稳定性。经过反复调试，使电路处于稳定状态，在频带内晶体管绝对稳定。通过优化，晶体管在整个频带内的stabfact 和StabMeas 因子均满足要求，S21 的起伏也小于1dB，这为下一步放大器的匹配工作打下了良好的基础。
2.4 放大器两级级联设计
由前面分析的噪声公式可以知道，第一级放大器对整个系统的噪声系数影响最大。因此噪声匹配是第一级放大器的设计重点。由于输入匹配网络在最小噪声匹配时，总是失配的，不能保证获得较高的增益，所以为了满足整体增益大于22dB 的要求，在实际设计时，在等噪声圆图和等增益圆图上折中选取增益和噪声，使得噪声匹配的同时也能获得较高的增益。
输入、输出匹配网络采用资用功率增益方案。这种匹配方法在确定源匹配的
图1 Rn-Gn 噪声模型
电子科技
Electronics Technology
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电子制作
基础上令负载匹配，因此可以让放大器的输出有着良好的匹配，即输出驻波比为1。在微带线阻抗匹配时，采用开路线来进行阻抗匹配，源反射系数和负载反射系数的匹配都要选择较低的品质因数Q 以拓展匹配带宽。在3.3GHZ~3.7GHZ 整个通频带上，噪声系数、增益都符合设计要求。仿真的结果如图2 所示。
第二级放大器以最大增益为目标进行电路匹配。采取和第一级放大器类似的网络匹配方法和思路, 在圆图中将资用功率增益圆和功率增益圆收缩至一点。同时可以采用共轭匹配的方法来计算具体的匹配参数。
3 仿真结果
将设计好的两级放大电路级联，并综合考虑噪声、增益、增益平坦度和输入输出驻波比。同时插入设计好的3dB 耦合器， 进行仿真。由于3dB 耦合器存在着相位差和一定的插入损耗，导致系统噪声系数和增益不符合要求。所以对整个系统进行总体优化设计，将微带线的线长设置成VAR 变量的形式，并用梯度收敛的方式优化。最终优化后的结果输入输出驻波比和增益如图3 所示，噪声系数及增益平坦度如图4 所示。
通过ADS 软件优化后，该低噪声放大器噪声系数不超过0.956，带内增益≥ 26dB，输入输出驻波比均小于1.22，带内增益起伏小于0.9dB，在整个工作频段上放大器无条件稳定。符合总体设计要求。
4 结束语
本文选用三菱公司的MGF4921AM 晶体管，采用两级级联的设计思路，第一级将以最小噪声系数为目标进行阻抗匹配，第二级则以最大增益为目标进行电路匹配。为了防止放大器在同频带内自激振荡，采用负反馈的方法增加稳定性，同时也可以改善S21 的平坦度。同时设计了相应的偏置电路，保证偏置电路的稳定性，最终实现满足设计指标的低噪声放大器，在工作频带内噪声系数<2.5dB，增益≥ 22dB，增益平坦度≤ 1dB，输入输出驻波比<2。
【参考文献】
[1] 张静秋，低噪声放大器的设计与实现，南京理工大学硕士论文. 2013.4
[2] 楚然，杨庆峰，申明磊，超低噪声K 波段放大器仿真设计[J]， 电子工程师 Vol 34，No.10， 2008.10:P:40—43
[3] 吴兴源，吴飞，刘中原，低噪声晶体管放大器的设计[J]，西南师范大学学报（自然科学版），Vol 19，No.2， 1994.8:P:140—145
【作者简介】
张静秋，出生年月：1983 年10 月，性别：女，民族：汉，籍贯：江苏江都， 职称：讲师，学位：硕士研究生，研究方向：通信与信息系统。
图2 S 参数和噪声系数仿真结果
(a) 输入输出驻波比 (b) 增益
图3 最终优化后输入输出驻波比和增益
(c) 噪声系数 (d) 增益平坦度
图4 最终优化后噪声系数及增益平坦度