L波段低噪聲放大器的設計

引言

　　低噪聲放大器(LNA)是雷達、通信、電子對抗、遙測遙控等電子系統中關鍵的微波部件，有廣泛的應用價值。由于微波系統的噪聲系數基本上取決于前級放大器的噪聲系數，因此LNA噪聲系數的優劣會直接影響整個系統性能的好壞。低噪聲放大器的設計主要包括輸入、輸出匹配網絡和直流偏置網絡的設計以及改善晶體管穩定的措施。

　　本文首先介紹放大器提高穩定性的源極串聯負反饋原理，然后設計了一個L波段的低噪聲放大器實例，并給出了放火器輸入、輸出回波損耗、增益、噪聲系數等參數的仿真結果。

　　低噪聲放大器的設計

　　本文所設計的低噪聲放大器的性能指標為：在1.90GHz～2.10GHz的頻段內，功率增益Gp≥30dB，噪聲系數NF≤1dB。考慮指標要求，擬采用兩級放大級聯技術來實現。n級放大器噪聲系數可表示為：

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　　其中，NF為放大器整機的噪聲系數；NF1、NF2…NFn分別是放大器第1級、第2級至第n級的噪聲系數；G1、G2、…Gn-1分別是放大器第1級、第2級至第n-1級的功率增益。由公式(1)可知，第一級放大器的噪聲系數和增益將直接影響整個放大器的噪聲系數。級聯低噪聲放大器要獲得低的噪聲系數，選擇的放大器第一級晶體管應該在工作頻率具有低的噪聲系數和較高的增益。

　　設計LNA首先應根據設計指標選擇合適的器件，然后根據器件在工作頻率的阻抗特性設計輸入、輸出匹配網絡。由于設計的低噪聲放大器的增益指標大于30dB，因此需要使用多級級聯的方式來實現。Agilent公司的ATF54143 E-PHEMT晶體管具有高增益和低噪聲的特性，適用于頻率范圍在450MHz～6GHz無線系統的各種LNA電路中。該管子在2GHz頻點上的噪聲系數是0.5dB，增益為17dB，因此選擇了該晶體管作為放大器的第一級；為實現放大器的增益指標，選用MGA86576作為第二級。

　　源極串聯反饋電感對穩定性的影響

　　穩定性是LNA電路必須考慮的，放大器的穩定性是指對振蕩的抑制水平，必須保證放大器的穩定性，以避免可能出現的自激。在晶體管放人器的二端口網絡中，它的兩個端口分別接信號源和負載，有了雙端口剛路的S參數，可以方便地計算放大器的穩定系數K，穩定性判據如下：

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　　其中△=|S11S22-S12S21|。當K>1且△<0時，放大器處于絕對穩定狀態；K<1，電路則潛在不穩定。

　　由于AFT54143在工作頻段內不是絕對穩定的，為了提高放大器的穩定性，在輸出端并聯一個100Ω的電阻。為確保ATF54143在盡可能寬的頻帶內保持穩定，這里采取源極引入串聯感性反饋的方法，電感采用一段很細的微帶線來代替，晶體管接入串聯反饋電感后的等效電路如圖1所示。

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　　串聯反饋電感LS后，晶體管的輸入阻抗Zin可以表示為：

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　　當wLs<

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　　從公式(4)可以看出，在源極串聯電感后，可以增加晶體管雙端口網絡輸入阻抗的實部，而虛部基本保持不變，使其逐漸與最佳噪聲匹配的阻抗重合；另一方面，增加一個無源元件不會使晶體管的噪聲性能惡化。

　　接入源極負反饋后，對ATF54143進行仿真。圖2即為晶體管穩定性改善前后的仿真結果圖，(a)是末接入源極負反饋時，晶體管在小于3.5GHz的頻段內都是不穩定的；(b)是接入源極電感后，ATF54143在1.9GHz～2.1GHz頻段范圍內都是穩定的。可見采用源極串聯負反饋技術后，穩定性因子K在所要求的頻率范圍內大于1，滿足絕對穩定的條件要求。

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　　偏置電路的設計

　　直流偏置電路為放大器提供合適的電壓和電流，使得晶體管工作于要求的靜態工作點，并在晶體管參數和溫度變化的范圍內，保持靜態工作點的恒定。根據器件特性選擇最佳條件，這里選取ATF54143的典型直流工作點參數：VDS=3V，ID=60mA；偏置的方式采用了電阻偏置，它有較好的溫度穩定性。結合上述偏置電路的設計原則和ATF54143的S參數數據，就可設計出如圖3所示的直流偏置電路。

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　其中Vdc是饋電電壓，其值選5V；Vds是ATF54143的漏源工作電壓，大小為3V；Idc是ATF54143靜態工作點所需的漏極電流，大小為60mA；IBB是流過R3、R4電阻分壓器的電流，它一般至少為門極漏電流的10倍，這里選為2mA；R2的計算則基于Vdc和Idc。由公式(5)、(6)、(7)可計算出R2=32.3Ω，R3=1200Ω，R4=300Ω。R5為高阻態電阻，這里選取R5值為12KΩ，取較大的阻值可以提高晶體管的效率。

輸入、輸出匹配網絡的設計

　　低噪聲放大器設計中，輸入、輸出匹配網絡的設計是在獲得噪聲系數、增益指標的前提下，將晶體管的輸入阻抗、輸出阻抗分別變換到標準的50Ω。通常低噪聲放大器的最大增益和最佳噪聲系數不可能同時獲得，因此，在設計的過程中需要對增益和噪聲系數等指標取折衷，以滿足設計指標的要求。設計中采用的基板是厚度為1 mm，相對介電常數為2.7的F4B介質板。

　　第一級放大電路的設計根據ATF54143的小信號S參數計算出放大器中心頻率的輸入、輸出阻抗，輸入阻抗Zin=50×(0.999+j3.928E-4)，輸出阻抗Zout=50×(1.017+j0.064)，采用共軛匹配的方法，即ZS=Z*in，ZL=Z*out，從而進行輸入和輸出匹配電路的設計，并采用ADS軟件對設計的匹配網絡微帶電路尺寸進行優化、仿真。放大器的噪聲系數頻率響應如圖4所示，從圖中可以看出放大器的噪聲系數在中心工作頻率大約為0.6dB；圖5為放大器增益／頻率曲線，可以看出，設計的第一級放大器增益在工作頻率范圍內大于10dB。

　　放大電路第二級的MGA86576由于本身就是一個內匹配的增益模塊，可直接與第一級進行級聯。但為了減小輸入／輸出回波損耗，所以在此級放大電路加入了匹配電路的設計，步驟與第一級類似，級間用電容相連。

　　仿真結果

　　電路設計完成后，使用ADS軟件對設計的低噪聲放大器進行仿真，其中，圖6為低噪聲放大器的噪聲系數仿真結果，可以看出在1.90GHz～2.10GHz頻段中噪聲系數NF≤0.67dB；圖7為低噪聲放大器的增益特性頻率響應，在2.0GHz頻點上，增益大約為38dB；圖8為整個低噪聲放大器的輸入、輸出回波損耗頻率響應，其中的虛線是輸入回波損耗，實線是輸出回波損耗，在整個工作頻段內輸入回波損耗小于-15dB，輸出回波損耗小于-22dB。

　　結語

　　本文介紹了一種采用源極串聯負反饋提高低噪聲放大器穩定性的方法，并設計了一個中心頻率為2GHz、帶寬為200MHz的L波段低噪聲放大器，仿真結果表明，源極串聯負反饋可以提高放大器的低頻穩定性。