低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,，LNA)廣泛應(yīng)用于射電天文,、衛(wèi)星接收、雷達(dá)通信等收信機(jī)靈敏度要求較高的領(lǐng)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(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)直接反映整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度,，所以LNA設(shè)計(jì)對整個(gè)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

　　1 GPS接收機(jī)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)的LNA主要指標(biāo)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(shè)計(jì)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(huì)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(shè)計(jì)反τ型匹配網(wǎng)絡(luò)，該匹配網(wǎng)絡(luò)由集總元件電感,、電容構(gòu)成,。選擇電感時(shí)，要選擇高Q電感,。為了在模擬仿真中能夠與實(shí)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(shè)計(jì)低噪聲放大器中,，設(shè)計(jì)直流偏置的目標(biāo)是選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn),，靜態(tài)點(diǎn)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(luò)可以為ATF-54143提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn),，但溫度性較差?？捎糜性雌镁W(wǎng)絡(luò)彌補(bǔ)溫度性差的缺點(diǎn),，但有源偏置網(wǎng)絡(luò)會(huì)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(shè)計(jì)實(shí)際電路中,，要根據(jù)具體情況選擇有源偏置網(wǎng)絡(luò),，或是電阻偏置網(wǎng)絡(luò)。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(luò)。采用Agilenl的ATF54143,，根據(jù)該公司給出的datasheet指標(biāo),，設(shè)計(jì)Vds=3．8 V、Ids=ll mA偏置工作點(diǎn),。因?yàn)樵陔娏鳛閘lmA時(shí)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(shè)計(jì)

　　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(biāo)準(zhǔn),，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(yīng)管漏極端加阻性負(fù)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(diǎn)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(fù)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(fù)反饋可以是電感集總元件，也可以是一段短傳輸線,，本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

　　在設(shè)計(jì)LNA時(shí)，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(luò)電路由C4和L5組成，如圖3所示,，網(wǎng)絡(luò)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(huì)增大輸人噪聲,，從而影響整個(gè)電路的總噪聲,。

　　而輸出匹配采用共軛匹配設(shè)計(jì)。輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)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(luò)集總元件的值后,，再用ADS軟件進(jìn)行優(yōu)化,。優(yōu)化時(shí),，要注意幾點(diǎn)：首先通過調(diào)諧功能手動(dòng)調(diào)整各個(gè)器件參數(shù),，知道哪些器件參數(shù)對電路指標(biāo)影響較大，對于敏感的器件參數(shù)要小心處理,；其次設(shè)定優(yōu)化目標(biāo),；最后，優(yōu)化時(shí),，要避免自激振蕩,。

　　1．5 LNA電路的整體優(yōu)化

　　對直流偏置設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)后,，LNA結(jié)構(gòu)基本固定,，但為了達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)要求，還需要優(yōu)化各個(gè)器件的值,，而且要考慮實(shí)際電路微帶線,、短路接地、過孔的影響,，所以還需對電路進(jìn)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(shè)計(jì)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(jì)算出微帶線的寬度為2．57 mm,。

　　對LNA電路優(yōu)化時(shí)，優(yōu)化指標(biāo)的設(shè)置要合理,。優(yōu)化指標(biāo)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(chǔ)上對各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化,，直到達(dá)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(shí)際低噪聲放大器實(shí)驗(yàn)板,，并用矢量網(wǎng)絡(luò)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(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)了低噪聲放大器,。介紹了偏置電路設(shè)計(jì),，穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及輸入輸出網(wǎng)絡(luò)匹配電路設(shè)計(jì)的方法。實(shí)測結(jié)果表明,，文中設(shè)計(jì)的低噪聲放大器符合指標(biāo)要求,，適用于GPS頻段的通信。