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1、低噪声方攵大器(Low Noise Amplifier, LNA)广泛应用于射电天文、卫星接收、雷达通信等收 信机灵敏度要求较高的领域，主要作用是放大所接收的微弱信号、降低噪声、使系统解调出 所需的信息数据。而噪声系数(Noise Figure, NF)作为其一项重要的技术指标直接反映整个 系统的灵敏度，所以LNA设计对整个系统的性能至关重要。1 GPS接收机低噪声放大器的设计设计的LNA主要指标为：工作频率为1 520-1 600 MHz；噪声系数NF0. 50 dB；增益 G16. 0 dB；输入驻波比2；输出驻波比1. 5。1. 1器件选择选择合适的器件，考虑到噪声系数较低、增益较高，所
2、以选择PHEMT GaAsFET低噪声晶 体管。在设计低噪声放大器前，首先要建立晶体管的小信号模型，一般公司都会提供具有现 成模型的放大器件。这里选择Agilent公司的生产的ATF-54143。1. 521. 60 GHz频带内， 设计反T型匹配网络，该匹配网络由集总元件电感、电容构成。选择电感时，要选择高Q 电感。为了在模拟仿真中能够与实际情况相符合，选用Murata公司的电感和电容模型。这 里选用贴片电感型号为LQW18，贴片电容型号为GRM18，电感LQW18在1. 6 GHz典型Q值为 80。1. 2直流偏置在设计低噪声放大器中，殳计直流偏置的目标是选择合适的静态工作点，静态点的好坏
3、 直接影响电路的噪声、增益和线性度。由电阻组成的简单偏置网络可以为ATF-54143提供合 适的静态工作点，但温度性较差。可用有源偏置网络弥补温度性差的缺点，但有源偏置网络 会使电路尺寸增加，加大了电路板排版的难度以及增加了功率消耗。在设计实际电路中，要 根据具体情况选择有源偏置网络，或是电阻偏置网络。就文中的LNA而言，考虑到结构和成 本，这里选择电阻无源偏置网络。采用Agilenl的ATF54143，根据该公司给出的datasheet 指标，设计Vds=3. 8 V、Ids=ll mA偏置工作点。因为在电流为llmA时ATF-54143性能较 好。电阻R3为100 Q ； R2为680 Q
4、 ； R1为60 Q，如图1所示。I，s-r PE宀*:K53带囲応LWITurm IVirnlJf沖CL他口 V T.ITIAURIi蕊加厲|巾匚 L片川的4.肚观；丁计I,5細匕山皿證曲迂寅於開LI 恥心斗：卅101 - I 22 I2 - I 0(1)(2)(4)(5)第二种方法：用s参量组合成的检测标准，只有单一参量“，其定义为要使电路稳定通常有两种方法：第一种，在场效应管漏极端加阻性负载，能够在很宽的 频段内使器件产生等阻抗，从而获得宽带稳定性。其缺点是阻性终端要消耗一些能量，降低 输出功率；第二种，在源极与地之间加电感，可引起串联负反馈，使器件增益下降，但稳定 性提高了。在微波电路
5、中，源极负反馈可以是电感集总元件，也可以是一段短传输线，本设 计采用前者。仿真结果如图2,图3所示，可以看出在l 520l 600 MHz的范围内输入输出及整体 稳定性都1，因此电路在带内稳定。1.21 MuPrime 11.201J7 1,16LI5 1.141451.501,551.601.65频率农居图2 稳定性匹配完成后的仿真结果GUM 18PartNamber=GRM188ClH3ROCZO1PortNum=3PortLQWlSumzidL,ParlNurnber=LQW18AN7N5D00图3 输入阻抗匹配网给1. 4输入输出阻抗匹配电路设计在设计LNA时，输入匹配不能采用共轭匹配
6、方法，而是采用最佳源反射系数噪声匹配。 输入阻抗匹配网络电路由C4和L5组成，如图3所示，网络可以有效降低回波损耗，并提高 增益和频带内的稳定性。L1起到通直流和扼交流的作用，C1起到射频旁路的作用。电感L1 和L5的Q值对输入端降低电路损耗和减小NF(2)有重要作用。低电感Q值会增大输人噪声, 从而影响整个电路的总噪声。而输出匹配采用共轭匹配设计。渝出阻抗匹配网络由C6和L7组成，如图4所示，降低 回波损耗，提高增益。C2起着射频旁路作用，C5起着电源去耦作用。GRM18O-Port 匕 Num=3PartNumber=CRM I 8S5C1H2R2CZG1J LQW18Nurn=42 pL
7、rtNuniber=LQWl8AN5N6C00图4 输出阻抗匹配网络用Smith软件简单求得匹配网络集总元件的值后，再用ADS软件进行优化。优化时，要 注意几点：首先通过调谐功能手动调整各个器件参数，知道哪些器件参数对电路指标影响较 大，对于敏感的器件参数要小心处理；其次设定优化目标；最后，优化时，要避免自激振荡。1. 5 LNA电路的整体优化对直流偏置设计、稳定性设计和匹配网络设计后，LNA结构基本固定，但为了达到各项 指标要求，还需要优化各个器件的值，而且要考虑实际电路微带线、短路接地、过孔的影响， 所以还需对电路进行整体仿真优化。通常在射频电路中，使用的是微带线传输信号，需要注意微带线的
8、宽度，宽度的大小决 定特性阻抗。对于输入输出端口通常采用50 Q特性阻抗。在本次设计中，选用板材是相对 常数为2. 65，厚度为1mm的PTFE。利用Agilent公司的Appcad软件，可以计算出微带线 的宽度为2. 57 mm。对LNA电路优化时，优化指标的设置要合理。优化指标过程中，要充分利用调谐功能， 先知道参数的大概数值，然后在此基础上对各项参数优化，直到达到理想效果。最终仿真结 果如图5所示。2.42.0L61.20.80.4L48 1.50 1.52 1.54 1.56 1.58 L60 1.62 1.64 1.66频率/GM驻波比与噪声系数1616.2-史 15.8-15.6-
9、15.4-1.48 1.50 1.52 1.54 1.56 1.58 1.60 1.62 1.64 L66频率/C血图5 最终仿真结果1. 6测试结果图6为实际低噪声放大器实验板，并用矢量网络分析仪和噪声仪测试，测试结果显示:Gain16. 0 dB； NF(2)0. 5 dB；输人驻波比2；输出驻波比1. 5。实验结果与仿真结果 基本吻合。图&低噪姿放大器实验板2结束语文中选用Agilent公司E-PHEMT噪声系数较低的ATF-54143,设计了低噪声放大器。介 绍了偏置电路设计，稳定性设计及输入输出网络匹配电路设计的方法。实测结果表明，文中 设计的低噪声放大器符合指标要求，适用于GPS频段的通信。
