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1、低噪声放大器的设计与应用,放大器的应用在工业技术领域中得到了广泛的认可，在许多场合下需要将传感器得到的微弱电信号放大来驱动相应的执行机构。比如电子秤，压力传感器转化得到的电信号十分微弱，不足以驱动相应的显示功能和准确的被辨识，所以需要放大器将此微弱的电信号进行放大。,引 言,低噪声放大器说明,信道对信号传输的限制除了损耗和衰落之外，另一个重要的限制因素是噪声与干扰。移动信道中加性噪声（简称噪声）的来源是多方面的，一般可分为内部噪声；自然噪声；人为噪声；内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。例如，在电阻一类的导体中由电子的热运动所引起的热噪声等。自然噪声和人为噪声为外部噪声。在移动信道中，外部噪
2、声的影响较大。人为噪声主要是车辆的点火噪声。,噪声在通信信道中会使接收灵敏度降低，导致同等功率条件下的通信距离缩短，或同等距离条件下通信质量差。因此，降低通信机的噪声对于通信系统来说有着重大的意义，而衡量噪声的高低用噪声系数F来表示。低噪声放大器是一个多级放大器，但是它不加功率管，不承受功率，在整机中应用于对弱信号的放大。低噪声放大器中采用高性能的低噪管，使得整机产生的噪声系数非常低，特别是上行低噪放的作用尤其明显，上行链路主要是为了使基站可以满意的接收上行信号，必须能保证基站接收的灵敏度，这就要求直放站上行的噪声系数要足够好。低噪主要功能：ATT调节，ALC控点调节，通过监控步进衰减调节等功
3、能。,低噪声放大器原理结构图,低噪声放大器模块结构说明,1、隔离器：主要用于高频信号的单向输入，对于反向的高频信号进行隔离，同时对各端口的驻波进行匹配。 2、低噪声管：ATF54143，利用管子的低噪声特性，减少模块的内部噪声，降低低噪声模块的噪声电平，使整机的接收灵敏度提高。 3、放大管：进一步放大高频信号 。 4、限幅组件：包含由PIN管组成压控的衰减电路（ALC）以及由HMC273组成的数控衰减电路（ATT）。 5、检波组件：由MAX-4003芯片构成的检波电路检测出模块的输出功率大小。 6、限幅运算电路：根据检波组件对高频信号检测出的直流电压进行运算，对限幅电路进行控制。,方案设计,1
4、、图1为低噪声管ATF54143的电路原理图，图中C1与 L1为前端匹配用调节元件，Q1为低噪声放大管，L2为高频退耦电感。C2与C4均为高频退耦电容，R5为限流电阻。,2、图2为ATT数字衰减器的电路原理图，HMC273为数控衰减器,5伏电源经5K的电阻限流后接入HMC273的1到5脚，6与10脚为高频信号的通脚，7、8、9脚为接发脚，在第6脚需加一个R13的电阻，C11与C12为耦合电容。ATT1到ATT5为数控衰减器的外部控制线接口。,3、图3为ALC的电路原理图，图中HMC38X4为PIN管，ALC控制电压经ALC接口经L5加到PIN管上，电压的大小决定PIN管的导通角的大小，从而改变
5、信号流的大小，达到控制C13后的信号强弱。,4、图4为检波电路，图中U8为检波芯片MAX-4003，其检测范围为-45dBm-0dBm，信号输入为第一脚，第7脚为检测输出脚，其余接线如图。,5、图5为限幅运算电路，检波组件的输出直流电压经R19进入U9A，经过一级放大后再进入U9B进行比较，通过调整VR1与VR2可调电阻器，可改变ALC接口的输出直流电压，从而对限幅组件进行控制。,低噪声放大器的应用,低噪声放大器是现代无线通信、雷达、电子对抗系统等应用中一个非常重要的部分，常用于接收系统的前端，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统灵敏度。 如果在接收系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪
6、声放大器增益足够大的情况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声系数将主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。由此可见低噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。,低噪声放大器是雷达、电子对抗及遥测遥控接受系统等的关键部件。L、S波段低噪声放大器一般用于遥测、遥控系统。在电子对抗、雷达侦察中，由于要接收的信号的频率范围未知，其实频率范围也是要侦察的内容之一，所以要求接收机的频率足够宽，那么放大器的频率也要求足够宽。而且，雷达侦察接收的是雷达发射的折射波，是
7、单程接收；而雷达接收的是目标回波，从而使侦察机远在雷达作用距离之外就能提早发现雷达目标。灵敏度高的接收机侦察距离就远，如高灵敏度的超外差式接收机可以实现超远程侦察，用以监视敌远程导弹的发射，所以，要增高侦察距离，就要提高接收机灵敏度，就要求高性能的低噪声放大器。,在国际卫星通信应用中, 低噪声放大器的主要发展要求是改进性能和降低成本。由于国际通信量年复一年地迅速增加, 所以必须通过改进低噪声放大器的性能来满足不断增加的通信要求。因此, 要不懈地不断努力去展宽带低噪声放大器的带宽和降低其噪声温度。从经济观点出发, 卫星通信整个系统的成本必须减少到能与海底电缆系统相竞争。降低低噪声放大器的噪声温度
8、是降低卫星通信系统成本的一种最有效的方法, 因为地面站天线的直径可以通过改善噪声温度性能而减小。,另一方面, 在国内卫星通信应用中, 重点放在低噪声放大器的不用维修特性以及低噪声和宽带性能, 因为在这些系统中越来越广泛地采用无人管理的工作方式, 特别在电视接收地面站中更是如此。,发展状况及趋势,在过去的二十几年，低噪声技术有了长远的发展。在80年代早期，低噪声放大器的噪声性能已经相当出色了，然而其体积重量都比较大，功耗也比较大。卫星地面终端对低噪声、重量轻、低功耗以及高可靠性同时提出了要求，当时的低噪声放大器还很难同时达到上述要求。1981年法国ThomsonCSF公司研制成功第一个低噪声HE
9、MT，在10GHz下，NF为2.3dB，Ga为10.3dB。在之后的五年里，HEMT已取得了显著的进展，成为公认的最适于毫米波应用的低噪声器件之一。目前，用HEMT制作的多级低噪声放大器已广泛用于卫星接收系统、电子系统及雷达系统。,1989年，由混合微波集成电路技术制成的三阶InP基放大器在60-65GHz频段内，已达到噪声系数3.0dB，其相关增益为22dB。三年以后，使用0.1m InP基HEMT制成的三阶放大器在60GHz下已达到1.6dB的噪声系数，其相关增益16dB。 进入90年代，随着晶体材料技术和微细加工技术的发展，毫米波MMIC进入实用化阶段。MMIC开始主要应用于军用系统，9
10、0年代以来，MMIC在商用产品中开拓了广阔的市场。这主要是商用无线通信市场，如低轨道卫星移动通信、环球定位卫星系统等。,长期以来，射频集成电路实现工艺是以GaAs、SiGe衬底的BiCMOS/Bipolar工艺处于主导地位，主要是由于他们的高截止频率、高增益以及相对较低的噪声。但是，由于通信电路的基带处理、数字信号处理通常都采用集成度更高的CMOS工艺，因此工艺的不兼容性长期以来成为了射频集成电路发展的一个瓶颈。近年来人们对硅基深亚微米CMOS工艺技术发展作了不懈努力，MOS晶体管的性能得到了显著的提高，例如，MOSFET的截止频率已经达到了150GHz，这使得采用CMOS工艺实现射频集成电路成为可能。而且，与传统的射频工艺相比，CMOS工艺有着先天的优势高集成度(与基带、数字信号处理模块工艺兼容)、低成本。所以CMOS射频集成电路成为当前的研究热点。,
