隨著技術與工藝的提高，通信系統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。克服噪聲干擾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，干擾后續信號處理。在改善外部干擾的同時，還需充分發揮設計人員的主觀能動性，即就是從接收機內部降低設備自身干擾，主要是采用低噪聲放大器來實現。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、功率增益、輸入輸出駐波比、反射系數和動態范圍等。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。噪聲系數是信號通過放大器(或微波器件)后，由于放大器(或微波器件)產生噪聲使得信噪比變壞。信噪比下降的倍數就是噪聲系數，通常用NF表示。放大器自身產生的噪聲常用等效噪聲溫度表示。噪聲溫度與噪聲系數NF的關系

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

對于單級放大器，噪聲系數的計算公式為

式中，NFmin為晶體管最小噪聲系數，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、晶體管等效噪聲電阻、晶體管輸入端的源反射系數。

而多級放大器噪聲系數的計算公式為

式中，NF總為放大器整機噪聲系數；NF1、NF2、NF3分別為第1，2，3級的噪聲系數；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，整機的噪聲系數接近第l級的噪聲系數。因此多級放大器中，第1級的噪聲系數大小起決定作用。

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范圍。現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最大值時，由放大器非線性引起的交調分量小于系統基底噪聲。

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：在優先滿足最小噪聲的前提下，提高電路增益。也就是根據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輸出阻抗匹配到負載實數阻抗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*成立才能夠實現其任務。再者，放大器設計必須使得所設計的放大器是穩定的，也就是需要滿足穩定性條件。最后，在滿足指標的同時，重點考慮工藝和結構上的可實現性。工藝上應選擇損耗小、易于加工、性質穩定、材料的物理(厚度)和電氣性能(介電常數)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 拓撲結構確足

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據資料中的相應S參數寫入相應設計軟件中，以S參數為模設計電路。S參數能夠完全反映晶體管的所有特性，這是因為：1)在對器件內部結構不關心時，只注重其外部特性時，就完全能夠以網絡參數形式代替這一器件的外部特性；2)晶體管的數據資料的相關參數都是針對實際產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的最佳阻抗的測量，這些測量很容易在ADS中實現。

根據上述關于輸入阻抗結果來設計輸入匹配網絡。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不是最小時，也能夠實現低噪聲指標。

在設計的過程中曾經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匹配。當選擇設計向導中的單支節模塊，通過對輸入輸出匹配參數的設定，就能很容易實現預設的匹配電路。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為4．3的環氧玻璃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整。為了充分發揮CAD軟件優勢，這里對匹配電路的調整借助于優化方法，圖4為優化電路的原理圖。

最后加上偏置網絡進行整體仿真，其實加不加偏置網絡對仿真過程影響并不是很大。因為偏置網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，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nf(2)小于0．5，而穩定性系數StabFactl以及穩定性因子均大于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版圖，通過對版圖的相應調整，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可以容易發現，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常使用的微調小島。雖然其調節力度有限，但是有了這些微調小島，在一定程度上可以節約設計成本：不至于對電路板的調節心有余而力不足，導致無法微調而需再版。版圖中扇形開路線的應用，起到了對增益平坦度的調節作用：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節范圍。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中如何實現低噪聲放大器做了較為詳細的論述，充分體現了計算機輔助設計的優勢。在匹配電路的設計中，采用開路支節匹配電路；在版圖的設計中，有關扇形開路支節的內容，同樣是對四分之一波長阻抗變換理論的體現；在結構設計中也涉及到了截止波導相關理論的應用，這一切都充分體現了理論與實踐的完美結合。

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