S波段低噪聲放大器的ADS仿真與設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹低噪聲放大器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，并重點(diǎn)介紹了低噪聲放大器的主要性能指標(biāo)：噪聲系數(shù)、功率增益、駐波比、穩(wěn)定性等。以ATF38143晶體管為例介紹了ADS仿真軟件設(shè)計(jì)低噪聲放大器的方法和主要步驟。采用三級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出滿足指標(biāo)的S波段低噪聲放大器鏈路。該放大器鏈路的指標(biāo)為噪聲系數(shù)小于1.2，功率增益大于50dB，增益平坦度小于0.5dB，VSWR小于1.8的低噪聲放大器，帶寬為6MHz，并具有一定的帶外抑制能力。

　　引言

　　低噪聲放大器(LNA)的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，減少噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)。當(dāng)今，人們對(duì)各種無(wú)線通信工具的要求越來(lái)越高，如功率輻射要小、作用距離要遠(yuǎn)、覆蓋范圍要廣等，這就對(duì)系統(tǒng)靈敏度提出了更高的要求，而接收機(jī)的第一個(gè)放大器的噪聲對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的靈敏度影響很大。因此，位于射頻接收系統(tǒng)前端的LNA的優(yōu)劣直接影響接收機(jī)的整體性能。

　　本文首先介紹了低噪聲放大器的基本理論知識(shí)和使用ADS仿真的方法流程，然后通過(guò)微帶單枝節(jié)匹配的方式設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為2.226GHz，工作帶寬6MHz，噪聲系數(shù)小于1.2，功率增益大于50dB，增益平坦度小于0.5dB，VSWR小于1.8的低噪聲放大器，帶外抵制：500MHz~2150MHz@40dBc，2400MHz~4000MHz@40dBc。

　　低噪聲放大器的主要性能指標(biāo)

　　噪聲系數(shù)

　　噪聲系數(shù)是低噪聲放大器一個(gè)主要指標(biāo)，如果接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲系數(shù)過(guò)大，信號(hào)會(huì)被噪聲埋沒(méi)。因此減少放大器噪聲系數(shù)是LNA的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容。噪聲系數(shù)NF的定義如下：式中，NF為射頻/微波器件的噪聲系數(shù);S_in，N_in分別為輸入信號(hào)功率和噪聲功率;S_out、N_out分別為輸出信號(hào)的信號(hào)功率和噪聲系數(shù)。單極放大器的噪聲系數(shù)為　式中NF_min為晶體管最小噪聲系數(shù)，由放大器的管子本身決定;Γ_opt、R_N、和Γ_s分別為獲得NF_min時(shí)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)。由上式可知當(dāng)Γ_opt=Γ_s時(shí)，噪聲系數(shù)最小。但這種情況下通常駐波比較大或者增益比較小。因此實(shí)際設(shè)計(jì)中在三者之間取折中以滿足放大器的多項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)多級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算公式為：NF=NF₁+(NF₂-1)/G₃+(NF₃-1)/G₁G₂+……，其中，NF_n為第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù);G_n為第n級(jí)放大器的增益。由上式可知，多級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路中第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)放大器鏈路的噪聲系數(shù)影響最大，所以第一級(jí)盡可能選擇噪聲系數(shù)較小，功率增益較高的晶體管。

　　功率增益

　　功率增益是LNA的另一個(gè)重要指標(biāo)之一，可表示為G=P_out-P_in式中：P_out為輸出信號(hào)功率;P_in為輸入信號(hào)功率。只有當(dāng)晶體管的輸入輸出端與源和負(fù)載同時(shí)共軛匹配時(shí)，放大器才能獲得最大的功率增益。

　　放大器的穩(wěn)定性

　　放大器的穩(wěn)定性，一個(gè)微波管的射頻絕對(duì)穩(wěn)定條件是      
        -。K稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)，K>1是穩(wěn)定狀態(tài)。只有當(dāng)3個(gè)條件都滿足時(shí)才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。