L波段200MHz帶寬LNA設計

　　引言

　　低噪聲放大器(LNA)是雷達、通信、電子對抗、遙測遙控等電子系統(tǒng)中關鍵的微波部件，有廣泛的應用價值。由于微波系統(tǒng)的噪聲系數(shù)基本上取決于前級放大器的噪聲系數(shù)，因此LNA噪聲系數(shù)的優(yōu)劣會直接影響整個系統(tǒng)性能的好壞。低噪聲放大器的設計主要包括輸入、輸出匹配網(wǎng)絡和直流偏置網(wǎng)絡的設計以及改善晶體管穩(wěn)定的措施。本文首先介紹放大器提高穩(wěn)定性的源極串聯(lián)負反饋原理，然后設計了一個L波段的低噪聲放大器實例，并給出了放火器輸入、輸出回波損耗、增益、噪聲系數(shù)等參數(shù)的仿真結果。

　　低噪聲放大器的設計

　　本文所設計的低噪聲放大器的性能指標為：在1.90GHz～2.10GHz的頻段內，功率增益Gp≥30dB，噪聲系數(shù)NF≤1dB?？紤]指標要求，擬采用兩級放大級聯(lián)技術來實現(xiàn)。n級放大器噪聲系數(shù)可表示為：

　　n級放大器噪聲系數(shù)公式

　　其中，NF為放大器整機的噪聲系數(shù);NF1、NF2…NFn分別是放大器第1級、第2級至第n級的噪聲系數(shù);G1、G2、…Gn-1分別是放大器第1級、第2級至第n-1級的功率增益。由公式(1)可知，第一級放大器的噪聲系數(shù)和增益將直接影響整個放大器的噪聲系數(shù)。級聯(lián)低噪聲放大器要獲得低的噪聲系數(shù)，選擇的放大器第一級晶體管應該在工作頻率具有低的噪聲系數(shù)和較高的增益。設計LNA首先應根據(jù)設計指標選擇合適的器件，然后根據(jù)器件在工作頻率的阻抗特性設計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡。

　　由于設計的低噪聲放大器的增益指標大于30dB，因此需要使用多級級聯(lián)的方式來實現(xiàn)。Agilent公司的ATF54143 E-PHEMT晶體管具有高增益和低噪聲的特性，適用于頻率范圍在450MHz～6GHz無線系統(tǒng)的各種LNA電路中。該管子在2GHz頻點上的噪聲系數(shù)是0.5dB，增益為17dB，因此選擇了該晶體管作為放大器的第一級;為實現(xiàn)放大器的增益指標，選用MGA86576作為第二級。

　　源極串聯(lián)反饋電感對穩(wěn)定性的影響

　　穩(wěn)定性是LNA電路必須考慮的，放大器的穩(wěn)定性是指對振蕩的抑制水平，必須保證放大器的穩(wěn)定性，以避免可能出現(xiàn)的自激。在晶體管放人器的二端口網(wǎng)絡中，它的兩個端口分別接信號源和負載，有了雙端口剛路的S參數(shù)，可以方便地計算放大器的穩(wěn)定系數(shù)K，穩(wěn)定性判據(jù)如下：

　　源極串聯(lián)反饋電感公式

　　其中△=|S11S22-S12S21|。當K>1且△<0時，放大器處于絕對穩(wěn)定狀態(tài);K<1，電路則潛在不穩(wěn)定。由于AFT54143在工作頻段內不是絕對穩(wěn)定的，為了提高放大器的穩(wěn)定性，在輸出端并聯(lián)一個100Ω的電阻。為確保ATF54143在盡可能寬的頻帶內保持穩(wěn)定，這里采取源極引入串聯(lián)感性反饋的方法，電感采用一段很細的微帶線來代替，晶體管接入串聯(lián)反饋電感后的等效電路如圖1所示。

　　晶體管接入串聯(lián)反饋電感后的等效電路

　　串聯(lián)反饋電感LS后，晶體管的輸入阻抗Zin可以表示為：

　　輸入阻抗Zin公式

　　當wLs<

　　輸入阻抗Zin公式