2.4GHz低噪聲放大器的設(shè)計

楊虹++袁喆

摘要：本文用分別用AT-41511 NPN型晶體管和ATF54143 PHEMT晶體管設(shè)計了一款低噪聲放大器（LNA）。在AT-41511 NPN型晶體管LNA仿真優(yōu)化后，穩(wěn)定系數(shù)大于1，噪聲系數(shù)為2.011，增益大于10 dB，S12 <-15，S11，S22<-10，故電路具有良好的傳輸性能，采用ATF54143的PHEMT晶體管LNA仿真所得的噪聲系數(shù)為0.738。

關(guān)鍵詞：晶體管 低噪聲放大器 傳輸性能 噪聲系數(shù)

中圖分類號：TN722.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0183-03

在圖1中，BPF1為帶通濾波器，BPF2為處理信號模塊。進入接收系統(tǒng)的信號有兩種，一種是有用信號，一種是外部帶來的噪聲和電路自身存在的噪聲。因此，需要對這些微弱信號進行濾波后再放大；由于微波信號，很容易被噪聲所掩蓋干擾，這就要求放大器本身噪聲性能足夠好，故低噪聲放大器就應(yīng)需求而被廣泛研究和使用。低噪放（LNA）處于接收機前端信號處理的第一級，具有放大信號和降低噪聲，也能很大程度上提高通信系統(tǒng)的靈敏度，對整個通訊系統(tǒng)的性能有非常重要的作用[1]。接收系統(tǒng)對于低噪聲放大器（LNA）基本要求[2]是：噪聲系數(shù)低、足夠的功率增益、工作穩(wěn)定性好和較大的動態(tài)范圍。如果電路中的低噪聲放大器噪聲系數(shù)比較低，則整個接收機系統(tǒng)的噪聲系數(shù)也會比較小，信噪比就比較優(yōu)良，靈敏度得到提高[3]。因此研究低噪聲放大器（LNA）就很有必要。

低噪聲放大器（LNA）是廣泛應(yīng)用于通信、雷達、電子對抗及遙控遙測系統(tǒng)接收設(shè)備的關(guān)鍵部件，在接收機系統(tǒng)中處于前端，主要作用是放大接收到的微弱信號，降低噪聲干擾。因此，低噪聲放大器的設(shè)計成了諸多接收系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

1 電路設(shè)計

低噪聲放大器（LNA）的電路結(jié)構(gòu)包括晶體管、直流偏置、輸入輸出匹配三大部分，應(yīng)此，LNA的設(shè)計與一般的線性放大器的設(shè)計大致一樣，可以按照這幾個部分依次進行。但是，與一般的線性放大器相比，低噪聲放大器在需要實現(xiàn)目的和設(shè)計方法都有所不同。實現(xiàn)目的不同表現(xiàn)在，一般的線性放大器主要為了實現(xiàn)高增益的性能，每級均采用功率匹配，而低噪聲放大器為了實現(xiàn)低噪的性能，輸入端一般采用最佳噪聲匹配，輸出端采用功率匹配，最后找出一個平衡點實現(xiàn)較小的噪聲系數(shù)和較大的功率增益。LNA的一般設(shè)計步驟如下：

（1）選擇滿足設(shè)計要求的晶體管的型號（NPN或PHEMT）。LNA要求管子的噪聲系數(shù)越低越好，而增益越高越好，但是二者是相互矛盾的，需要對它們作一平衡。

（2）確定所選擇晶體管的穩(wěn)定性。對絕對穩(wěn)定的晶體管器件，可以直接進行后續(xù)電路的設(shè)計。對于不是絕對穩(wěn)定的晶體管器件，可以用兩種方法來解決放大器電路的穩(wěn)定性問題，一是可以先在反射平面作出不穩(wěn)定區(qū)域，在頻率范圍允許的條件下，選擇避開潛在不穩(wěn)定頻率區(qū)域來設(shè)計所需要的放大器。另一種方法是，若設(shè)計的放大器頻率范圍不能避開潛在不穩(wěn)定頻率區(qū)域，則利用其他方法（如添加負反饋）來提高放大器電路的穩(wěn)定性，使放大器在整個工作頻率范圍內(nèi)保持絕對穩(wěn)定。

（3）利用射頻放大器設(shè)計軟件，對放大器晶體管設(shè)置偏置電路以實現(xiàn)放大電路的直流供電，在此基礎(chǔ)上，進行放大器輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的設(shè)計以實現(xiàn)低噪聲高增益的放大器性能指標，最后用ADS射頻仿真軟件模擬并仿真低噪聲放大器的各項性能指標，仿真結(jié)束后需要檢驗LNA的穩(wěn)定性，若不穩(wěn)定需要重復(fù)步驟（2），若穩(wěn)定，則檢查放大器其他各項重要性能指標，并經(jīng)行下一步優(yōu)化仿真設(shè)計。

2 電路原理圖及仿真優(yōu)化結(jié)果

AT-41511是Agilent公司一款NPN型三極管，主要工作頻段800MHz到2.6GHz.AT-41511 LNA原理圖如圖2所示。

由圖3可知工作頻率為2.4GHz下電路優(yōu)化前各項指標：增益S（2，1）=8.446，反向隔離度S（1，2）=-17.564，輸入反射系數(shù)S（1，1）=-32.551，輸出反射系數(shù)S（2，2）=-4.556.

由圖4可知工作頻率為2.4GHz下電路優(yōu)化后的各項指標：增益S（2，1）=10.039，反向隔離度S（1，2）=-15.970，輸入反射系數(shù)S（1，1）=-16.225，輸出反射系數(shù)S（2，2）=-12.750.

由圖5可知電路在2.4GHz頻率下是絕對穩(wěn)定的，滿足設(shè)計要求。

由圖6可知電路噪聲系數(shù)還有待提高，結(jié)合LNA可以工作在液氮溫區(qū)、噪聲系數(shù)指標要求高的特點，由于BJT管（雙極性晶體三極管）和FET管（場效應(yīng)管）很難達到這樣的要求，所以最好選用HEMT（高電子遷移率晶體管）器件來設(shè)計。HEMT管相比于FET，具有高增益、低噪聲和高功率容量等優(yōu)點。

常規(guī)HEMT器件的微波及高速性能都很優(yōu)越，但域值電壓會隨著溫度的變化改變，尤其是在低于77K溫度時，溝道電流會突然消失。新型的PHEMT器件彌補了常規(guī)HEMT器件的這種不足，使得器件相比于常規(guī)的HEMT器件，具有更大的電流密度、更高的增益和更高的工作頻率上限。

結(jié)合上述原因，本文選用Avago公司的PHEMT晶體管ATF54143來設(shè)計低溫LNA。ATF54143具有噪聲系數(shù)小、增益較高、動態(tài)范圍大、溫漂小等優(yōu)點，該晶體管在低溫下仍能保持一些常溫下的特性，例如S參數(shù)基本不會變化并且在低溫下晶體管也不會出現(xiàn)自激的情況。由于ATF54143的這些優(yōu)點，本文采用常溫設(shè)計法設(shè)計該低溫LNA。先對ATF54143晶體管直流分析確定直流工作點，接著根據(jù)直流工作點位晶體管設(shè)計偏置電路，然后對電路的穩(wěn)定性經(jīng)行分析并采用源級負反饋實現(xiàn)LNA在整個工作頻段上絕對穩(wěn)定，然后進行輸入輸出匹配電路的設(shè)計和實現(xiàn)，得到的LNA的整體電路結(jié)構(gòu)，最后對整體電路優(yōu)化仿真。優(yōu)化仿真結(jié)果。整體結(jié)構(gòu)原理圖如圖7所示。

由圖8可知LNA電路噪聲系數(shù)為0.738，相比于AT-41511 LNA電路，ATF54143 LNA電路在2.4GHz頻率下可以得到相對比較理想的噪聲性能。

3 結(jié)語

本文使用Agilent公司ADS軟件設(shè)計的AT-41511 LNA，在工作頻率為2.4GHz下實現(xiàn)噪聲系數(shù)2.011，穩(wěn)定系數(shù)大于1，輸入輸出反射系數(shù)小于-10，S12<-15，增益約為10dB，采用ADS軟件設(shè)計的ATF54143 LNA在工作頻率為2.4GHz下噪聲系數(shù)為0.738。由以上可以看出，運用Aglient公司ADS軟件設(shè)計的LNA在2.4GHz下無條件穩(wěn)定，具有較好的反向隔離度，傳輸性能良好，采用ATF54143設(shè)計LNA可以能得到比較理想的噪聲性能。

參考文獻

[1]陳艷華，李朝暉，夏瑋.ADS應(yīng)用詳解—射頻電路設(shè)計與仿真[M].北京：人民郵電出版社.2008：321-341.

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[3]呂杰，劉林海，曹純，李哲.一種1～3GHz寬帶低噪聲放大器的設(shè)計[J].無線電工程，2015，45（5）：57-60.