两路合成式LNA的噪声系数分析与设计*

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

1 引 言

在检测微弱信号时，为了提高系统的接收灵敏度，往往在接收机前端加低噪声放大器以减小整个系统的噪声系数，尤其是接收灵敏度较高的接收系统，对前级的噪声系数要求更高。目前，多路合成式接收机已越来越多地应用于雷达和导弹系统中[1]，在各路输入端阵列天线的性能及接收到的信号幅度一致情况下，影响系统噪声系数的因素在文献[1]中已进行了定性分析。在某设备的应用中，为了在不同的姿态中均能接收到信号，在其头、尾部均装有相差45°角的两接收天线，工作时两天线接收到的信号幅度差别大，主通路为天线信号强的一路，此时得出的结论是不一样的。同时，前期设计出来的产品在进行噪声系数测试时发现，即使是完全对称的设计，同一套两端的噪声系数大小不同，甚至有时无法体现噪声系数的特性；不同套间的噪声大小也有差异。本文针对应用于某设备中的两路合成式低噪声放大器，分析讨论了两路放大器的增益不一致性以及输入两端信号幅度不一致时对噪声系数的影响。

2 增益对噪声系数影响的理论分析

两路低噪声放大器合成式系统，其噪声系数的计算公式为[2]

(1)

式中，ΔNi为放大器内部噪声，Gi为放大器的增益，Si为输入信号功率，So为输出信号功率，Ni为输入噪声功率。

式(1)表明，合成后的噪声与两路放大器的输入信号功率、输入噪声功率、放大器的增益及放大器的内部噪声有关。一般情况下，两路放大器的器件是同一型号的，为方便计算，视ΔN=ΔN1=ΔN2。

2.1 增益不一致对噪声系数测试的影响

以第二支路输入端接负载到地，测试第一支路输出噪声系数为例，此时的输入端信噪比只有Si1/Ni1一项，式(1)可写成：

(2)

令G2=αG1，则式(2)可表示为

F=1+α+2ΔN/NiG1

(3)

再令α=1+Δ，χ=ΔN/NiG1，则式(3)可写成

F=2(1+χ)+Δ

(4)

当Δ=0，式(3)可写为

F=2(1+χ)=3+10 lg (1+χ)(dB)

(5)

式(5)表示第一支路噪声系数比单路放大器噪声系数大3 dB，10 lgF-3，即为第一支路的输出噪声系数。

以0.5 dB的单路放大器的噪声系数为例，当测试出来的噪声系数恶化±0.1 dB时，代入式(4)，计算出Δ≈±0.05，即第二路增益在第一路增益基础上变化±5%时，噪声系数恶化±0.1 dB。

2.2 输入端均接天线时，增益不一致对噪声系数的影响

为方便分析，视两天线的性能完全一致，即Ni=Ni1=Ni2，令G2=αG1,Si2=βSi1，代入式(1)得：

(6)

当α=1时，代入式(6)，此时噪声系数与输入信号幅度无关。

当α≠1时，式(6)可写成

(7)

合成输出噪声系数大小与α、β相关。

同样，以0.5 dB的单路放大器的噪声系数为例计算。当β=1，即两支路输入端天线接收到的信号幅度一致时，可计算出±0.1 dB噪声系数偏差时第二路增益在第一路增益基础上变化±52%左右，也就是说此时噪声系数对两路增益的一致性要求不高，可高达3 dB的偏差；当β=0.01，即第二支路天线接收到的信号幅度比第一支路天线接收到的信号幅度小20 dB时，可计算出±0.1 dB噪声系数偏差时，第二路增益在第一路增益基础上变化±5%左右，即表明信号幅度差20 dB以上时，噪声系数等效2.1节的分析。

3 两路合成式噪声系数的ADS分析

上面理论分析了增益对测试及实际使用对输出噪声系数的影响。为了和理论计算进行比较，仿真时所选用的器件均视为理想状态。下面只通过ADS仿真软件验证在测试试验情况下两路放大器的增益变化对输出噪声系数的影响。

采用两路增益为26 dB、噪声系数为0.5 dB、输入输出驻波为理想状态下的放大器(LNA1和LNA2)及理想状态下的两路等功分器组成的电路模型，通过改变输入端的状态及放大器部分参数，利用ADS仿真软件，观察其对噪声系数的影响，具体结果如图1和图2所示。

图1 一路接负载时的噪声系数仿真结果Fig.1 Simulation result of the noise figure when a channel is connected with load

LNA1接源、LNA2接负载到地，得到第一支路输出噪声系数大小如图1(a)所示，噪声系数为3.56 dB，即表示第一支路输出噪声系数为0.56 dB。把LNA2的增益减小到24 dB，其它条件不变，得到第一支路输出噪声系数如图1(b)所示，噪声系数为2.66 dB，小于3，表示此情况下第一支路的输出噪声系数为-0.34 dB，结果为负数，已经不能准确反应第一支路的实际输出噪声系数。把LNA2的增益增加到28 dB，其它条件不变，仿真得到第一支路的输出噪声系数如图1(c)所示，噪声系数增大到4.56 dB，第一支路输出噪声系数为1.56 dB，而此值也不能准确地反应第一支路的实际输出噪声系数值。

图2 改变第二支路的增益和输出驻波对噪声系数的影响Fig.2 The effect of changing the second channel’s gain and output standing wave on the noise figure

如果第一支路放大器增益不变，第二支路放大器的增益变为25.8 dB，结果如图2(a)所示、合成后输出噪声系数为3.46 dB；如果第一支路放大器增益不变，第二支路放大器的增益变为26.2 dB，结果如图2(b)所示，合成后输出噪声系数为3.66 dB；如果两支路放大器的增益均不变，把第二支路的输出驻波由1改为1.5，则结果如图2(c)所示，合成后输出噪声系数为3.66 dB。以上3种情况下，输出噪声系数均恶化0.1 dB，所以，两路放大器的增益不一致性控制在±0.2 dB(5%)左右，两路放大器的输出驻波差别较小时，可以将合成后的输出噪声系数误差控制在±0.1 dB以内。

4 工程应用设计

某设备中要求设计两路合成式低噪声放大器，其技术指标要求：增益为(23±2)dB；噪声系数小于2 dB；输入输出驻波小于2。

图3 电路图与仿真实测结果Fig.3 Circuit diagram and the simulation measurement results

电路实现：低噪声放大器选用的是WANTCOM公司的WHM14-3020AE，其噪声系数为0.5 dB，增益为31 dB，驻波为1.22；等功率合成器采用微带结构。微带片选用的是介电常数为9.2、厚度为1 mm的软基片TMM10。电路布局应考虑：功率合成器前的两路放大器电路成对称结构，在放大器与功率合成器间加π型衰减网络以减弱两者间的相互影响，改善放大器的输出驻波并且调整两路放大器输出增益的不一致。在功率合成器之后加π型衰减网络改善输出驻波。图3为第一支路接源，第二支路接负载到地情况下的仿真与实测结果，实线为仿真值，虚线为实测值。噪声系数采用安捷伦公司的噪声测试仪N9875A及噪声源N4000A测试得到，而输入输出驻波及增益利用矢量网络分析仪MS4623B测试得到。由图可见，实测结果与仿真值相吻合。

5 结 论

结合理论分析计算与ADS分析仿真[3]，确定了两路放大器的增益误差控制在±5%左右，对测试或接两路天线接收信号幅度差20 dB以上时的噪声系数误差可控制在±0.1 dB以内，并得以验证，可为系统确定合成式低噪声放大器的技术指标的具体要求提供指导。

参考文献：

[1] 王寒松,李加术.多路合成式接收系统雷达整机噪声系数分析[J].零八一科技,2001(2):26-29.

WANG Han-song,LI Jia-shu.Anslysis of radar system noise figure in the milti-channel combined receving system[J].081 Technology,2001(2):26-29.(in Chinese)

[2] 顾其诤，等.微波集成电路[M].北京：人民邮电出版社，1978.

GU Qi-zhen，et al.Microwave integrated circuit[M].Beijing:Post & Telecommunication Press,1978.(in Chinese)

[3] 陈艳华，等.ADS应用详解—射频电路设计与仿真[M].北京:人民邮电出版社,2008.

CHEN Yan-hua，et al.Detailed analysis of ADS application-Design and simulation of RF circuit[M].Beijing:Post & Telecommunication Press,2008.(in Chinese)