低噪聲放大器（LNA）是現(xiàn)代雷達(dá)、射頻通信,、測(cè)試儀器,、電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要部分,。在接收系統(tǒng)中，它總是處于前端的位置,，其主要作用是放大天線接收到的微弱信號(hào),，并以足夠高的增益克服后續(xù)各級(jí)（如混頻器）的噪聲，制約著整個(gè)接收系統(tǒng)的性能,。隨著通信,、雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微波LNA的要求越來越高,，因此研制合適的寬頻帶,、高增益、更低噪聲系數(shù)的放大器,，已經(jīng)成為微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心技術(shù)之一[1],。

1 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)理論
    LNA的性能指標(biāo)主要是噪聲系數(shù)、增益,、工作頻率,、電壓駐波比和帶內(nèi)平坦度等，其中噪聲系數(shù)和增益對(duì)整機(jī)性能影響較大,。要實(shí)現(xiàn)最小噪聲系數(shù)傳輸,，必須使負(fù)載阻抗與源阻抗相匹配，這就需要插入匹配網(wǎng)絡(luò),。放大管存在最佳源阻抗Zopt，LNA的輸入端應(yīng)按Zopt進(jìn)行匹配,，此時(shí)放大器的噪聲系數(shù)最小,。為了獲得較高的功率增益和較好的輸出駐波比，輸出端采用共軛匹配方式,。如果增益不夠,，則需要采用多級(jí)放大器。
    
式中,，Nf為放大器整機(jī)噪聲系數(shù),，Nfn和Gn分別是第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù)和功率增益。由式(1)可知,，在多級(jí)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)時(shí),，放大器的噪聲系數(shù)主要由第一級(jí)決定。因此,，要獲得好的噪聲性能,，必須按最佳噪聲匹配設(shè)計(jì)輸入匹配電路。
    低噪聲放大器要有一定的增益,，其大小要適中,。太大會(huì)使后面的混頻器由于輸入太大而產(chǎn)生非線性失真,；而為了抑制后面各級(jí)對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響，增益又不能太小[3],。
    需要特別注意的是,，微波放大器由于器件內(nèi)部S12的作用會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部反饋，可能使放大器工作不穩(wěn)定而導(dǎo)致放大器的自激,，因此在做端口匹配前,，先要判斷放大器的穩(wěn)定性。判斷放大器絕對(duì)穩(wěn)定的條件[4]為：

    結(jié)合表1數(shù)據(jù)和式(2)可知,，F(xiàn)HX13是絕對(duì)穩(wěn)定的,，而FHX35存在潛在不穩(wěn)定性，因此需要注意后兩級(jí)匹配電路的設(shè)計(jì),。
2.4 匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
    為了同時(shí)滿足增益和噪聲這兩大主要指標(biāo),，本文采用雙向設(shè)計(jì)法，利用等資用功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)既能滿足噪聲系數(shù)要求,，又能滿足增益要求的低噪聲放大器[5],。
    首先在ADS中畫出等資用功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓[6]，取頻率點(diǎn)為10.5 GHz,，經(jīng)過仿真后的結(jié)果如圖1所示,。其中，細(xì)線是等增益圓,，m1點(diǎn)是最大增益點(diǎn),；粗線是等噪聲系數(shù)圓，m2點(diǎn)是最小噪聲系數(shù)點(diǎn),。為了兼顧噪聲系數(shù)和增益,，選用m3點(diǎn)作為匹配設(shè)計(jì)點(diǎn)，圖中顯示了該點(diǎn)處呈現(xiàn)在放大器輸入端的源反射系數(shù)ГS為0.692/139.959,，利用Smith圓圖對(duì)輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì),。

2.5 直流偏置電路的設(shè)計(jì)
    偏置電路至關(guān)重要，合理的偏置能讓放大器工作在最佳狀態(tài)下,。由于單電源自給偏壓偏置缺乏靈活性,，且源極不能直接到地，影響增益和噪聲系數(shù),，還容易產(chǎn)生自激,，所以本文采用雙電源設(shè)計(jì)直流偏置電路，如圖3所示,。

    為了使直流偏置電路與射頻電路之間互不影響,，在電源與晶體管之間加入了中心頻率的四分之一波長(zhǎng)微帶線；為了實(shí)現(xiàn)更寬頻率范圍的良好濾波特性，采用了扇形開路塊作為偏置濾波電路,；為了減小直流偏置電路所引入的噪聲,，還在電源處添加了電容去耦。
    此外,，本設(shè)計(jì)的直流偏置電路的最大特點(diǎn)是采用了直流偏置反饋控制技術(shù),，可以避免因溫度等因素的變化而對(duì)電路性能造成影響，提高了該電路的穩(wěn)定性,。如圖3所示,，當(dāng)溫度變化導(dǎo)致Ids增大時(shí)，由于三極管發(fā)射極的電流很小,，可忽略不計(jì),，從而導(dǎo)致電阻R4上分壓增大，發(fā)射極電壓變小,，基極與發(fā)射極之間的電壓變小,，進(jìn)而使得集電極電流變小，Vgs變小,。根據(jù)微波放大管的特性曲線,，當(dāng)Vgs變小時(shí)會(huì)引起Ids變小，因而可以維持之前的靜態(tài)工作點(diǎn),，保持電路的穩(wěn)定工作,。
3 測(cè)試結(jié)果及分析
    根據(jù)仿真結(jié)果得到的尺寸和結(jié)構(gòu)，采用介電常數(shù)較為穩(wěn)定的Rogers的RO4350B（介電常數(shù)為3.66,，厚度為0.508 mm,，銅箔厚度為0.035 mm，損耗角為0.003）作為微帶電路的材料基片,。
    對(duì)實(shí)體電路進(jìn)行測(cè)試時(shí),，需要加上放大器的蓋板并涂上吸波材料，以降低腔體效應(yīng)的影響,。使用Agilent公司的E8363A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試增益和輸入回波損耗，測(cè)試結(jié)果如圖4所示,。圖4顯示,，在頻率為10.5 GHz時(shí)的增益為34.54 dB，輸入回波損耗優(yōu)于-10 dB,，并且在10.2 GHz～10.8 GHz的頻帶內(nèi),，增益和輸入回波損耗都達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。
   

其中,，ENR使用R&S公司的FSP-40頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試,，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,，輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關(guān)閉時(shí)的時(shí)差為12.07 dB,。在頻率為10.5 dB時(shí),，從ENR頭讀出的NF值為13.71 dB。根據(jù)式(4)得到噪聲系數(shù)為1.92 dB(小于2 dB),，因此滿足設(shè)計(jì)的要求,。

    圖6顯示了在不同溫度條件下對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試的情況：圖6(a)顯示在溫度為80 ℃時(shí)測(cè)得的在10.2 GHz～10.8 GHz的頻帶內(nèi)的增益(虛線所示)以及輸入回波損耗(實(shí)線所示)；圖6(b)顯示在溫度為120 ℃時(shí)測(cè)得的在10.2 GHz～10.8 GHz的頻帶內(nèi)的增益(虛線所示)以及輸入回波損耗(實(shí)線所示),。經(jīng)過測(cè)試,，在溫度為80℃時(shí)，該LNA的噪聲系數(shù)為1.93,；在溫度為120 ℃時(shí),，該LNA的噪聲系數(shù)為1.93。通過上述對(duì)比發(fā)現(xiàn),，在溫度發(fā)生變化時(shí),，所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器的性能沒有明顯變化，能夠滿足工程設(shè)計(jì)的需要,。
    本文利用等資用功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓相結(jié)合的方法,，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在X波段、不受溫度變化影響,、高增益的低噪聲放大器,。該放大器具有調(diào)試簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠,、成本低廉,、體積小的特點(diǎn)，大小僅為43.6 mm×34 mm×15 mm,，使得小型化模塊系列產(chǎn)品更加完善,，進(jìn)一步拓寬了低噪聲放大器的應(yīng)用領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
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