1 LNA設計思路

主要設計指標：頻率500～3000MHz，增益≥14dB，平坦度±0.5dB，輸入輸出回波損耗>10dB，NF≤1.4dB，輸出P-1≥14dBm，工作電壓3.3v，電流<100mA。微波放大器根據功能可以分為低噪聲放大器（LNA）, 功率放大器（PA）和驅動(dòng)放大器（Driver Amplifier）。對于低噪聲放大器的設計,器件選擇十分重要，以噪聲系數為評價(jià)指標對器件排序如下：HEMT>JFET,MESFET>HBT>BJT>CMOS我們綜合成本和性能的要求，選擇Agilent的ATF-54143，它是HEMT，噪聲系數很低，而且在3GHz時(shí)，MAG還有19.77dB (Vds=3V，Ids=20mA)。

首先考慮放大器的穩定性，一般放大器不是全頻帶穩定的，將一個(gè)放大器簡(jiǎn)化為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò )，則無(wú)條件穩定條件可表示為:



從而可以得到輸入和輸出的穩定性判定因子及穩定系數分別為



(其中：Δ=S11S22 - S21S12)它們分別是源和負載端的穩定性判定因子，只要它們之中有一個(gè)大于1，另外一個(gè)也必然大于1，而且K也會(huì )大于1，此時(shí)放大器無(wú)條件穩定。對于LNA，電阻的出現會(huì )提高放大器的穩定性，降低放大器的增益，增加放大器的噪聲，所以最好把穩定放大器的電阻放到輸出端去，同時(shí)由于放大器一般是在某些頻段不穩定的，這時(shí)可以對電阻元件引入并聯(lián)或串聯(lián)電容，使得電阻對某些特定頻率進(jìn)行較大衰減，這樣將對不穩定頻段的穩定性有所改善，同時(shí)盡可能少的影響其它頻段的穩定系數K，這是因為

如果K值過(guò)大，放大器的增益下降會(huì )很厲害，一般K取1.1左右比較好。寬帶阻抗匹配是一個(gè)困難的問(wèn)題。因為復阻抗通常隨頻率變化， Bode和Fano等人指出，當存在電抗元件時(shí)，在寬帶匹配方面有一個(gè)實(shí)際極限，如式(8)所示：

雖然有多種實(shí)現寬帶放大器的技術(shù)，但是常用的主要有以下兩種：平衡式放大器、反饋式放大器?；诔杀竞腕w積的考慮, 我們采用負反饋進(jìn)行寬帶放大器的設計。如圖1所示的負反饋電路, 電阻元件R1 和R2的優(yōu)化初值選擇依照下面公式：

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對于LNA，對于單級放大器而言，其噪聲系數的計算為

其中Fmin為晶體管的最小噪聲系數，它由放大器晶體管本身決定，Γopt、Γs和Rn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。所以輸入匹配電路主要讓噪聲系數最小，但為了保證增益、駐波和帶寬的指標，輸入輸出匹配電路需要在Γopt、S11、S22和Gain之間取舍。采用諧振單元加傳輸線(xiàn)的結構來(lái)實(shí)現寬帶LNA的設計,如圖2所示。研究諧振單元加傳輸線(xiàn)的匹配特性，結果如圖3所示。

一般的匹配網(wǎng)絡(luò )，如L型或者型電路等，它們的帶寬是有限的，如果要達到寬帶，需要混合使用，而其在Smith圓圖上，經(jīng)過(guò)每一個(gè)元件匹配后的Q值都不能變大，顯然當各個(gè)點(diǎn)處的Q值相等時(shí)匹配結果最優(yōu)，因為從(8)式可以看出，若有任意一點(diǎn)的Q值變大，整個(gè)帶寬就會(huì )變小。下面給出一個(gè)采用諧振單元的例子如圖2所示。從圖3的仿真結果可以看到，由于諧振單元的電抗特性，在較寬的頻帶內可以達到較好的匹配效果。

2 LNA仿真、優(yōu)化

在實(shí)際制作放大器時(shí)，必須考慮場(chǎng)效應管源極接地的影響。在頻率較低時(shí)，其影響可以忽略不計，但在微波頻段，接地情況直接惡化實(shí)際的性能。為考慮接地對信號傳輸的影響，采用ADS自帶的momentum軟件仿真實(shí)際封裝下源極接地的影響，實(shí)際接地及其等效電路如圖4。

利用上面的方法設計放大器電路圖結構如圖5所示:

優(yōu)化電路使其滿(mǎn)足設計指標，選擇實(shí)際可以購買(mǎi)到的標稱(chēng)元件值，代入實(shí)際電容、電感的S參數模型，再次對微帶線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化，當然此時(shí)也可以對元件值進(jìn)行優(yōu)化，有的廠(chǎng)商提供的數據是可以?xún)?yōu)化的。接下來(lái)進(jìn)行EM/Circuit Co-Simulation，在A(yíng)DS的layout中建立微帶線(xiàn)、連接線(xiàn)、接頭的模型，通過(guò)矩量法計算這些模型并封裝成元件，并把它們代入原理電路中進(jìn)行計算，再次微調元器件的值和微帶線(xiàn)的尺寸，此時(shí)接頭、連接線(xiàn)是不能變化的。
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3 測試結果

我們搭建的測試系統和LNA電路如圖6所示，整個(gè)電路尺寸為53mm×26mm。測試結果如圖7和圖8所示，該低噪放在0.5~3GHz UHF頻段內噪聲系數小于1.48，增益大于14.5dB，帶內平坦度為0.5dB左右，輸入輸出回波損耗都大于10dB。由實(shí)測結果可以看出本文設計的寬帶LNA基本達到技術(shù)指標要求。

結語(yǔ)

本文設計了一款UHF寬帶低噪聲放大器。在原理電路的設計中采用電阻并聯(lián)或串聯(lián)電容的結構平衡增益和穩定性之間的矛盾，采用負反饋技術(shù)實(shí)現寬帶效應，利用諧振單元加傳輸線(xiàn)來(lái)平衡噪聲和增益之間的矛盾，采用實(shí)際封裝接地的全波仿真保證了設計結果和仿真結果的吻合。

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