1. 引言

   今年來，隨著微波和毫米波技術的迅速發展，微波通信，導航，制導，衛星通信以及軍事電子對抗戰和雷達等領域對放大器的需求量也越來越大。特別是由于無線電通信頻率資源的日益緊張，分配到給各通信系統的頻率間隔越來越密，這對接受系統前端的器件，尤其是低噪聲放大器件提出了更高的要求，以減少不需要的干擾因素，放大接受到的有用信號。本文通過研究低噪聲放大器的設計理論，設計了一個能滿足技術指標的低噪聲放大器，具有較低的噪聲系數和適當的增益，能符合1.8—2.2GHz射頻信號電路的要求。

2. 低噪聲放大器的設計理論

   設計低噪聲放大器 是為了盡量實現理想功率傳輸，必須使負載阻抗和源阻抗相匹配；同時為了獲得較高的功率增益和較好的輸出駐波比，輸出端則采用共扼匹配。如果增益未能達到要求，則要采用多級放大電路。低噪聲放大電路的主要指標包括：噪聲系數，放大增益，穩定性，反射系數，動態范圍等。

     放大器的噪聲是放大電路中各個元器件（包括管子，電阻等）內部載流子不規則運動所造成的，主要是電路中的電阻熱噪聲和BJT（或FET）內部噪聲所形成，它實際上是雜亂的無規則的變化著的電壓或電流。 噪聲系數定義為放大器輸入信號與輸出信號信噪比的比值，既：

                                                      （1）

對于單級放大器而言，其噪聲系數為：

                        （2）

     其中， 為晶體管最小噪聲系數，是由放大器的管子本身決定的， 當 = 時，可得最低噪聲度。，和 分別為獲得最佳反射系數，晶體管輸入端源反射系數以及晶體管的等噪聲電阻。由于放大器的噪聲系數與信號源的阻抗有關，而與負載阻抗無關，所以對于一個晶體管，當它的源端所接信號源的阻抗等于最佳源阻抗時，它的噪聲系數最小。放大器的的穩定性判據有以下方法：

  （1） 判據, 放大器無條件穩定需滿足：

                          （3）

其中， 。

3. 低噪聲放大器的設計

  目前，低噪聲放大器的設計普遍采用CAD的方法進行仿真，國內較流行的有EESOF，MWOFFICE 和ADS 等軟件。同樣采用ADS 進行電路仿真。 本文中的低噪聲放大器主要由輸入匹配網絡，晶體管放大器和輸出匹配網絡組成，它的主要模塊如圖1所示。本文中的晶體管是NPN型晶體管，主要是用于RF的前端設計中。該管型為sp_hp_AT_41511 ，是ADS系統中庫中自帶的。

                            圖1  LNA電路模塊圖

3.1  靜態工作點和直流偏置

利用ADS 系統提供的典型電路，運用sp_hp_AT_41511模型，以晶體管的基極電流為掃瞄參數，來完成ADS對晶體管直流工作點的掃描仿真工作，仿真結果如圖2所示。 實際上，模版中預設的掃描參數通常和實際需要的不一致，還需要在原理圖中進行一定的修改。選定直流工作點為： =3V， 。

根據以上設置的直流偏置參數（=3v,）可推導出電路圖中各偏置電阻值為：  

                                  圖2 晶體管直流工作點掃描曲線

3.2匹配網絡的設計

      隨著工作頻率的提高及相應工作波長的減小，分立元件的寄生效應就變得更加明顯。此時我們的設計工作就需要考慮這些寄生效應，成而使元件值的求解變得更加復雜，本文中采用微帶線來實現輸入和輸出匹配網絡.

 3.3整體優化電路

     在上述過程中，我們分別設計了低噪聲放大器的輸入和輸出匹配網絡，經過以上的步驟我們已經能確保得到較小的噪聲系數和輸入駐波比的電路，

      在優化過程中，我們首先設置變量，既每個元件的變化范圍，然后給出仿真原理圖，在一次優化完成后，保存優化后的變量值，否則優化后的值將不保存到原理圖中，如果得到的參數不滿足要求，則需要反復調整優化方法，優化目標中的權重，還可以對輸入匹配網絡進行優化，最終得到合適的結果。首先來分析放大器的穩定性，放大器的穩定性是放大器的一個重要指標，如果電路穩定性系數變得很小，則難以達到預期的性能，利用ADS 提供的測量元件 StatbFct , 插入到原理圖中，仿真結束后，在數據顯示窗口加入一個穩定系數的矩形圖，如圖3所示，可以看出在1.8—2.2GHz的頻率內，放大器的穩定系數都大于1，

                                圖3    穩定系數曲線

圖4，給出了優化后的噪聲系數矩形表，從圖中可以看出放大器的噪聲系數大約是2.0左右，同時還給出了放大器的輸入駐波比和輸出駐波比，從圖中可以看出在頻率2GHz時，輸入和輸出駐波比約為1.5。

                                        圖4 優化電路后的駐波比和噪聲系數曲線

  3.4 封裝模型的仿真設計

      進行S參數模型設計以后，需要將S模型替換為封裝模型來做進一步設計，一個能投入生產和使用的低噪聲放大器不僅需要滿足較小的噪聲系數和輸入駐波比，而且在穩定性，增益等各項指標中都要符合要求，最后，封裝前的電路原理圖如圖5所示，

                          圖5 封裝模型的原理圖

 最后，通過系統的優化得到封裝模型的參數曲線如圖6，圖7所示，我們可以看到LNA在工作頻率內有最小噪聲，適當的增益，以及較小的駐波比系數，符合LNA的參數要求。

                    圖7   封裝模型的LNA的噪聲系數和穩定性曲線

                                        圖8 封裝模型的LNA的S參數和駐波比

4.總結

這樣就完成了對LNA封裝模型的設計和仿真，繪制電路板時要注意，由于制板時實際線寬往往要比實際線小0.11mm左右，在繪制版圖時要考慮這個問題。

                       參考文獻

[1]王子宇.  射頻電路設計—理論與應用[M].      北京：電子工業出版社，2002年.

[2] 陳艷華. 射頻電路設計與仿真[D].北京：人民郵電出版社，2003年 .

[3]陳邦媛.  射頻通信電路[M].北京：科學出版社，2003年

作者簡介：向軍，電子科技大學在讀碩士，物理電子學專業09897