低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,，LNA)廣泛應用于射電天文,、衛(wèi)星接收、雷達通信等收信機靈敏度要求較高的領域,，主要作用是放大所接收的微弱信號,、降低噪聲、使系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù),。而噪聲系數(shù)(Noise Figure,，NF)作為其一項重要的技術(shù)指標直接反映整個系統(tǒng)的靈敏度，所以LNA設計對整個系統(tǒng)的性能至關重要,。

　　1 GPS接收機低噪聲放大器的設計

　　設計的LNA主要指標為：工作頻率為1 520～1 600 MHz,；噪聲系數(shù)NF16．0 dB；輸入駐波比<2,；輸出駐波比<1．5,。

　　1．1 器件選擇

　　選擇合適的器件，考慮到噪聲系數(shù)較低,、增益較高,，所以選擇PHEMT GaAsFET低噪聲晶體管。在設計低噪聲放大器前,，首先要建立晶體管的小信號模型,，一般公司都會提供具有現(xiàn)成模型的放大器件。這里選擇Agilent公司的生產(chǎn)的ATF-54143,。1．52～1．60 GHz頻帶內(nèi),，設計反τ型匹配網(wǎng)絡，該匹配網(wǎng)絡由集總元件電感,、電容構(gòu)成,。選擇電感時，要選擇高Q電感,。為了在模擬仿真中能夠與實際情況相符合,，選用Murata公司的電感和電容模型。這里選用貼片電感型號為LQWl8，貼片電容型號為GRMl8,，電感LQWl8在1．6 GHz典型Q值為80,。

　　1．2 直流偏置

　　在設計低噪聲放大器中，設計直流偏置的目標是選擇合適的靜態(tài)工作點,，靜態(tài)點的好壞直接影響電路的噪聲,、增益和線性度。由電阻組成的簡單偏置網(wǎng)絡可以為ATF-54143提供合適的靜態(tài)工作點,，但溫度性較差,。可用有源偏置網(wǎng)絡彌補溫度性差的缺點,，但有源偏置網(wǎng)絡會使電路尺寸增加,，加大了電路板排版的難度以及增加了功率消耗。在設計實際電路中,，要根據(jù)具體情況選擇有源偏置網(wǎng)絡,，或是電阻偏置網(wǎng)絡。就文中的LNA而言,，考慮到結(jié)構(gòu)和成本,，這里選擇電阻無源偏置網(wǎng)絡。采用Agilenl的ATF54143,，根據(jù)該公司給出的datasheet指標,，設計Vds=3．8 V、Ids=ll mA偏置工作點,。因為在電流為llmA時ATF-54143性能較好,。電阻R3為100 Ω；R2為680 Ω,；R1為60 Ω,，如圖1所示。

　　1．3 穩(wěn)定性設計

　　放大器的穩(wěn)定性是放大器中需要考慮的重要因素,。需要在工作頻率下絕對穩(wěn)定,，有兩種方法可以判斷該器件是無條件穩(wěn)定。第一種方法

　　第二種方法：用s參量組合成的檢測標準,，只有單一參量μ,，其定義為

　　要使電路穩(wěn)定通常有兩種方法：第一種，在場效應管漏極端加阻性負載,，能夠在很寬的頻段內(nèi)使器件產(chǎn)生等阻抗,，從而獲得寬帶穩(wěn)定性。其缺點是阻性終端要消耗一些能量,，降低輸出功率,；第二種,，在源極與地之間加電感，可引起串聯(lián)負反饋,，使器件增益下降,，但穩(wěn)定性提高了。在微波電路中,，源極負反饋可以是電感集總元件,，也可以是一段短傳輸線，本設計采用前者,。

　　仿真結(jié)果如圖2,，圖3所示，可以看出在l 520～l 600 MHz的范圍內(nèi)輸入輸出及整體穩(wěn)定性都>1,，因此電路在帶內(nèi)穩(wěn)定,。

　　1．4 輸入輸出阻抗匹配電路設計

　　在設計LNA時，輸入匹配不能采用共軛匹配方法,，而是采用最佳源反射系數(shù)噪聲匹配。輸入阻抗匹配網(wǎng)絡電路由C4和L5組成,，如圖3所示,，網(wǎng)絡可以有效降低回波損耗，并提高增益和頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性,。L1起到通直流和扼交流的作用,，C1起到射頻旁路的作用。電感L1和L5的Q值對輸入端降低電路損耗和減小NF(2)有重要作用,。低電感Q值會增大輸人噪聲,，從而影響整個電路的總噪聲。

　　而輸出匹配采用共軛匹配設計,。輸出阻抗匹配網(wǎng)絡由C6和L7組成,，如圖4所示，降低回波損耗,，提高增益,。C2起著射頻旁路作用，C5起著電源去耦作用,。

　　用Smith軟件簡單求得匹配網(wǎng)絡集總元件的值后,，再用ADS軟件進行優(yōu)化。優(yōu)化時,，要注意幾點：首先通過調(diào)諧功能手動調(diào)整各個器件參數(shù),，知道哪些器件參數(shù)對電路指標影響較大，對于敏感的器件參數(shù)要小心處理,；其次設定優(yōu)化目標,；最后,，優(yōu)化時，要避免自激振蕩,。

　　1．5 LNA電路的整體優(yōu)化

　　對直流偏置設計,、穩(wěn)定性設計和匹配網(wǎng)絡設計后，LNA結(jié)構(gòu)基本固定,，但為了達到各項指標要求,，還需要優(yōu)化各個器件的值，而且要考慮實際電路微帶線,、短路接地,、過孔的影響，所以還需對電路進行整體仿真優(yōu)化,。

　　通常在射頻電路中,，使用的是微帶線傳輸信號，需要注意微帶線的寬度,，寬度的大小決定特性阻抗,。對于輸入輸出端口通常采用50 Ω特性阻抗。在本次設計中,，選用板材是相對常數(shù)為2．65,，厚度為1 mm的PTFE。利用Agilent公司的Appcad軟件,，可以計算出微帶線的寬度為2．57 mm,。

　　對LNA電路優(yōu)化時，優(yōu)化指標的設置要合理,。優(yōu)化指標過程中,，要充分利用調(diào)諧功能，先知道參數(shù)的大概數(shù)值,，然后在此基礎上對各項參數(shù)優(yōu)化,，直到達到理想效果。最終仿真結(jié)果如圖5所示,。

　　1．6 測試結(jié)果

　　圖6為實際低噪聲放大器實驗板,，并用矢量網(wǎng)絡分析儀和噪聲儀測試，測試結(jié)果顯示：Gain>16．0 dB,；NF(2)<0．5 dB,；輸人駐波比<2；輸出駐波比<1．5,。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,。

　　2 結(jié)束語

　　文中選用Agilent公司E-PHEMT噪聲系數(shù)較低的ATF-54143，設計了低噪聲放大器,。介紹了偏置電路設計,，穩(wěn)定性設計及輸入輸出網(wǎng)絡匹配電路設計的方法,。實測結(jié)果表明，文中設計的低噪聲放大器符合指標要求,，適用于GPS頻段的通信,。