隨著技術與工藝的提高,，通信系統(tǒng)中限制通信距離的因素已不是信號的微弱程度，而是噪聲干擾的程度,?？朔肼暩蓴_是設計電子設備必須考慮的問題。從廣義上來講,。噪聲是指設計中不需要的干擾信號,，然而各種各樣的通信信號通常是以電波形式傳播，因此,，接收有用信號的同時,，不可避免地混入各種無用信號。即便是采取濾波,、屏蔽等方法,，還是會有或多或少無用的信號滲入到接收信道中，干擾后續(xù)信號處理,。在改善外部干擾的同時,，還需充分發(fā)揮設計人員的主觀能動性，即就是從接收機內(nèi)部降低設備自身干擾,，主要是采用低噪聲放大器來實現(xiàn),。因此，這里提出一種低噪聲放大器的設計方案,。

1 低噪聲放大器技術指標與設計原則

1．1 主要技術指標

低噪聲放大器的主要技術指標包括：噪聲系數(shù),、功率增益、輸入輸出駐波比,、反射系數(shù)和動態(tài)范圍等,。由于設計低噪聲放大器時，在兼顧其他各指標的同時,，主要考慮噪聲系數(shù),。噪聲系數(shù)是信號通過放大器(或微波器件)后，由于放大器(或微波器件)產(chǎn)生噪聲使得信噪比變壞,。信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù),，通常用NF表示。放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度表示,。噪聲溫度與噪聲系數(shù)NF的關系

式中,，T0為環(huán)境溫度,，通常以絕對溫度為單位，293 K,，注意：這里的噪聲系數(shù)NF并非以dB為單位,。

對于單級放大器，噪聲系數(shù)的計算公式為

式中,，NFmin為晶體管最小噪聲系數(shù),，由晶體管本身決定；Γout,、Rn,、Гs分別為獲得NFmin時的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻,、晶體管輸入端的源反射系數(shù),。

而多級放大器噪聲系數(shù)的計算公式為

式中，NF總為放大器整機噪聲系數(shù),；NF1,、NF2、NF3分別為第1,，2,，3級的噪聲系數(shù)；G1,、G2分別為第1,，2級功率增益。

從式(3)看出,，當前級增益G1和G2足夠大時,，整機的噪聲系數(shù)接近第l級的噪聲系數(shù)。因此多級放大器中,，第1級的噪聲系數(shù)大小起決定作用。

1．2 設計原則

1．2．1 晶體管的選取

射頻電路中低噪聲晶體管的主要技術指標為：高增益,、低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍?，F(xiàn)階段雙極型低噪聲管的工作頻率可達到幾十吉赫茲，噪聲系數(shù)為幾分貝,，砷化鎵小信號場效應管的工作頻率更高,，并且噪聲系數(shù)可達1 dB以下。

在選取低噪聲晶體管時,，通常遵循以下2個原則：1)微波低噪聲晶體管的噪聲系數(shù)足夠小,，工作頻段足夠高，一般情況下所選擇的晶體管的fT要比其工作頻率高4倍以上,；2)所選的微波低噪聲晶體管要有足夠高的增益與足夠大的動態(tài)范圍,。通常要求放大器的工作增益大于10dB,，當輸入信號達到系統(tǒng)最大值時，由放大器非線性引起的交調(diào)分量小于系統(tǒng)基底噪聲,。

1．2．2 電路設計原則

這里的電路設計原則實際就是輸入輸出匹配電路的設計原則,。首先，輸入匹配電路的設計原則是：在優(yōu)先滿足最小噪聲的前提下,，提高電路增益,。也就是根據(jù)輸入等增益圓與等噪聲圓選取合適的Гout。如圖l所示,，通常要求Zout=Zopt,，Гout=Гopt。其次,，輸出匹配電路的基本任務是把微波管復數(shù)輸出阻抗匹配到負載實數(shù)阻抗50 Ω,。輸出匹配電路主要是提高增益高，因此所設計的輸出匹配電路在Zin=ZT*成立才能夠實現(xiàn)其任務,。再者,，放大器設計必須使得所設計的放大器是穩(wěn)定的，也就是需要滿足穩(wěn)定性條件,。最后,，在滿足指標的同時，重點考慮工藝和結構上的可實現(xiàn)性,。工藝上應選擇損耗小,、易于加工、性質(zhì)穩(wěn)定,、材料的物理(厚度)和電氣性能(介電常數(shù))均勻,，同時表面光潔度達到一定要求的印制板。對于基板材料方面FR-4(介電常數(shù)4～5之間)與氧化鋁陶瓷是常用的微波基板,。在PCB布板時還需考慮鄰近相關電路的影響,。此外應注意濾波、接地和外電路設計中電磁兼容設計原則,。

2 低噪聲放大器設計步驟

該設計是借助于功能強大的射頻電路設計與仿真軟件ADS進行設計的,。這里所設計的低噪聲放大器是一個結構最簡單的單級低噪聲放大器，旨在簡單明了說明使用計算機輔助設計軟件快速設計低噪聲放大器,。

2．1 指標要求

為了清楚說明該低噪聲放大器的設計過程,，其設計指標并不是很高，具體如下：頻率范圍為2～2．2 GHz,；增益G大于15 dB：噪聲系數(shù)NF小于1 dB,；工作電壓為5 V；工作電流小于150 mA：輸入輸出駐波比VSWR小于1．5；輸入輸出的阻抗為50 Ω,；RF信號接頭為SMA,；外形尺寸為43 mmx26 mmx8 mm。

2．2 設計步驟

2．2．1 晶體管的選型

通過查閱晶體管生產(chǎn)廠商的相關資料,，綜合上述低噪聲晶體管的選擇原則,，這里選用Agilent公司的ATF-54143型晶體管。

2．2．2 拓撲結構確定

在選好晶體管后,，理論上就要確定直流工作點,。但實際工程實踐中，則是直接將所選晶體管的數(shù)據(jù)資料中的相應S參數(shù)寫入相應設計軟件中,，以S參數(shù)為模設計電路,。S參數(shù)能夠完全反映晶體管的所有特性，這是因為：1)在對器件內(nèi)部結構不關心時,，只注重其外部特性時,，就完全能夠以網(wǎng)絡參數(shù)形式代替這一器件的外部特性；2)晶體管的數(shù)據(jù)資料的相關參數(shù)都是針對實際產(chǎn)品在一定的實驗平臺下測得的,，因此更接近于器件的實際特性,。

圖2是對所選擇晶體管在ADS中搭建的電路，主要是用于對晶體管的輸入阻抗與對應于最小噪聲系數(shù)的最佳阻抗的測量,，這些測量很容易在ADS中實現(xiàn),。

根據(jù)上述關于輸入阻抗結果來設計輸入匹配網(wǎng)絡。該設計滿足最小噪聲匹配,，并兼顧增益指標,。其原因可由式(3)得到。這里選用的是PHEMT晶體管,，該晶體管能夠在噪聲系數(shù)不是最小時,，也能夠實現(xiàn)低噪聲指標。

在設計的過程中曾經(jīng)試圖以最小噪聲匹配為目標,，但是最后在兼顧增益的前提下,，選擇了最佳增益匹配為目標的設計。但無論是以最小噪聲為目標還是以最大增益匹配為目標,，在ADS中的實現(xiàn)方式基本是一致的,。

在確定了匹配的目標后，可以很容易運用ADS的設計向導,，對匹配電路進行設計。通常情況下選擇支節(jié)匹配,。當選擇設計向導中的單支節(jié)模塊,，通過對輸入輸出匹配參數(shù)的設定，就能很容易實現(xiàn)預設的匹配電路。如圖3所示,。其中,，圖3(b)為圖3(a)中微帶支節(jié)匹配的具體形式。這里需要說明的是,，在設計過程中所選的基板材料為介電常數(shù)為4．3的環(huán)氧玻璃FR-4,，基板厚度為0．8 mm。

對輸入匹配電路設計完成之后,，接下來就是對輸出匹配電路的設計,，使用與輸入匹配電路設計中相類似方法，得到輸出匹配電路的初值,。之所以這里為初值,，是因為當按照目標值設計輸出匹配電路，輸入駐波比達不到指標要求,。因此必須對輸出匹配電路進行相應調(diào)整,。為了充分發(fā)揮CAD軟件優(yōu)勢，這里對匹配電路的調(diào)整借助于優(yōu)化方法,，圖4為優(yōu)化電路的原理圖,。

最后加上偏置網(wǎng)絡進行整體仿真，其實加不加偏置網(wǎng)絡對仿真過程影響并不是很大,。因為偏置網(wǎng)絡是通過高頻扼流圈接入的,，這就使得射頻信號不會對電源部分造成影響，同時,，通過一段四分之一波長的傳輸線引入電源,。因此，對于射頻電路,，電源接入射頻電路的接入點相當于對射頻信號是開路的,，同樣直流電源的引入也不會對射頻電路造成影響，并且在RF信號的輸入端也加入了DC Block,，進一步隔斷直流對射頻信號的影響,。最終電路的拓撲結構如圖5所示。

3 設計結果

3．1 仿真結果

低噪聲放大器設計結果如圖6所示,。從圖6可得：在整個頻帶內(nèi),，輸入輸出駐波比VSWRl與VSWR2小于1．5：增益以dB(S(2，1))表示大于15 dB,，噪聲系數(shù)nf(2)小于0．5,，而穩(wěn)定性系數(shù)StabFactl以及穩(wěn)定性因子均大于1，也就是說所設計的低噪聲放大器完全滿足指標要求,。

3．2 版圖的設計結果

利用ADS可以直接由原理圖生成版圖的特性,，首先在ADS中由所完成的原理圖生產(chǎn)版圖，通過對版圖的相應調(diào)整，最終以AutoCAD的形式完成版圖與結構圖的設計,，結果如圖7所示,。

從圖7可以容易發(fā)現(xiàn)，版圖的設計中,，在微帶線的兩邊放置許多小方塊,，這些小方塊是在微波電路設計中經(jīng)常使用的微調(diào)小島。雖然其調(diào)節(jié)力度有限,，但是有了這些微調(diào)小島,，在一定程度上可以節(jié)約設計成本：不至于對電路板的調(diào)節(jié)心有余而力不足，導致無法微調(diào)而需再版,。版圖中扇形開路線的應用,，起到了對增益平坦度的調(diào)節(jié)作用：對于某些較低頻率的信號，扇形開路線對這些信號短路,，從而降低了低端信號的增益,。而做成扇形結構可以大幅提高調(diào)節(jié)范圍。在結構方面需要補充說明的一點是：盒體窄邊尺寸必須小于工作頻段最高頻率波長的二分之一,，這一要求受限于截止波導相關理論,。

4 結束語

通過簡單的低噪聲放大器的設計與仿真，論述了整個低噪聲放大器的設計流程,。尤其對ADS中如何實現(xiàn)低噪聲放大器做了較為詳細的論述,，充分體現(xiàn)了計算機輔助設計的優(yōu)勢。在匹配電路的設計中,，采用開路支節(jié)匹配電路,；在版圖的設計中，有關扇形開路支節(jié)的內(nèi)容,，同樣是對四分之一波長阻抗變換理論的體現(xiàn),；在結構設計中也涉及到了截止波導相關理論的應用，這一切都充分體現(xiàn)了理論與實踐的完美結合,。