一种S 波段低噪声放大器的设计

程 骏，李海华

(1.广东技术师范学院电子信息学院，广州510665;2.华南农业大学图书馆，广州510640)

低噪声放大器(LNA)是微波射频接收机前端的重要组成部分，在射频微波通信电路中，通常需要处理低达-100 dBm 的微弱信号［1］，这就要求前端放大器具有很低的噪声系数，同时又兼具一定的增益和带宽。放大器的最小噪声和最大增益一般不能同时获得，最小噪声和最大增益之间存在矛盾［2］。所以低噪声电路在设计时总是以折中的方案来满足要求，以牺牲一定的增益来获得最小的噪声系数。一般情况下，宽带低噪声放大器的增益只有5 dB ～8 dB［3］，本文设计的低噪声放大器具有很宽的通频带，同时又拥有高达10 dB 的增益，具有良好的技术性能和较广泛的应用价值。

1 放大器设计与分析

1.1 电路基本结构模型

本文设计的低噪声放大器由直流馈电回路、阻抗匹配网络、稳定性电路、增益控制等几部分组成［4-6］。电路基本结构模型如图1 所示。基于频率、噪声以及设计成本等方面的考虑，本文采用BFP420 作为低噪声放大管，BFP420 是应用于通信电路系统的NPN 射频双极型晶体管，在1.8 GHz 只有1.1 dB 左右的噪声，截止频率可高达25 GHz。同时该管也可以适用于射频振荡器的设计，其振荡频率可达10 GHz。

图1 电路基本结构模型

1.2 确定静态工作点

射频有源电路通常需要提供直流馈电网络，使射频有源器件工作在特定的电压电流条件下，本电路设计中，直流部分采用有源偏置电路。根据安捷伦微波软件仿真结果，BF420 微波管在5 mA 附近有最低的噪声，因此初步确定该管的静态工作点:Vce=2 V，Ic=5 mA，据此即可确定电路的直流偏置电阻参数。

1.3 稳定性设计

对于放大器的绝对稳定条件，常用的判断方法有两参数判断准测:(K-Δ)参数准则［7］，当同时满足:K＞1 和|Δ|＜1 时，这时放大电路处于绝对稳定状态。其中:

但该方程只能给出绝对稳定的数学判定准则，无法给出具体电子器件的稳定程度，这时需要使用单参数(μ 参数)准则［8］，该方法不仅可以给出绝对稳定的判据，而且可以判定器件的稳定程度。单参数判定准则:

如果μ＞1，则有源器件处于绝对稳定状态;如果μ＜1，则有源器件工作在潜在不稳定或者不稳定状态。μ 值越大，说明稳定性越好，在射频放大电路中可以通过选择高μ 值的有源器件来改善电路的稳定性。使用μ 参数判定方法，本设计的稳定度仿真结果如图2 所示。

图2 稳定性仿真结果

由图2 可知，该管在我们需要使用到的频段2 GHz ～3 GHz 内是不稳定的，所以必须对电路进行稳定性设计。为了提高电路的稳定性，可以在放大器的输入端串联电阻，或者在输出端并联电阻来实现，但这样会引入额外的噪声。如果在放大器的射极串联适当的电抗元件，则不会引入附加的噪声，同时也可以改善电路的稳定性能。因此我们通过射极串联电感的方法来改进电路，由于电路的频率很高，因此所需电感的数值非常微小，在实际电路中，我们使用射频微带线来代替微小的电感。添加稳定性电路后的电路如图3 所示，其中TL1 和TL2 是在放大器射极所串联的的两条微带线，用以改善电路的稳定性。电路的射频仿真结果如图4 所示。

图3 添加稳定性电路

图4 电路改进后仿真

根据图4 可见，在2 GHz ～3 GHz 频率范围内K＞1，说明放大器在我们需要的频段上已经稳定了。需要注意的是，电路的K 值不可过高，如果K 值过大，电路的稳定性会得到较大提高，但同时，电路的增益也会下降，因此K 值需要综合考虑，工程上，K值正常范围在1.1 ～1.2 之间［9］。

1.4 确定输入输出参数

放大器的稳定性参数确定以后，就可以进行电路的射频输入输出阻抗设计。首先调整静态工作点，VCE=2 V，Ic=5 mA。在该参数下对电路板进行ADS 微波仿真，仿真结果显示，最优噪声系数的输入阻抗为42.308-j·17.597，输出阻抗为88.6+j·72.123，因此，基于此参数即可设计阻抗匹配网络。

1.5 超宽带阻抗匹配

要获得宽带的通频范围，必须对放大器要进行宽带阻抗匹配。宽带匹配需要确定合适的阻抗过渡点，以获得较小的Q 值，电路的Q 值通常选取在1附近［10-11］，但较小的Q 值会增大电路的驻波比参数，宽带匹配通常需要3 个或者3 个以上的电抗元器件。利用ADS 微波仿真工具对本文的放大器进行幅频仿真，结果表明，这是一个超宽带的匹配网络，从0.4 GHz到3.55 GHz 都是匹配的，相对带宽远大于50%，是一个相当宽的匹配网络，至此，电路原理图基本设计完毕。

1.6 PCB 版图仿真与优化

电路板原理图设计完毕后，利用安捷伦ADS 微波仿真工具，可直接对电路的PCB 版图进行射频仿真，结果显示，放大器噪声系数基本上达到了要求，但是输入驻波比还没有达到工业设计标准，必须进行优化。本设计主要通过改变输入输出匹配电路来优化反射系数，尝试使用新颖的匹配网络，同时兼顾驻波比和低噪声。经过多次的优化与调试，不断改变电路的匹配网络结构，最后得到的仿真结果如图5 所示。

图5 PCB 版图仿真

结果表明:在2 GHz ～3 GHz 内，电路的噪声系数＜1.4 dB，输入驻波比＜1.5，输出驻波比＜1.3，增益＞9 dB，输入输出反射系数＜-15 dB，全部指标达到设计要求。至此，宽带S 波段放大器设计完毕，最后的成品PCB 电路板版图见图6 所示。

图6 低噪声放大器PCB 印刷板版图

2 电路的测试和调试

下面给出电路板成品的实验室测试数据，表1是放大器的增益和噪声系数实测数据表，测试信号源为0 ～3 GHz 射频本振信号源，信号源输出功率为-13.54 dBm。

表1 增益记录表

由表1 的数据可知，在2.4 GHz 应用频段，电路的平均增益超过11 dBm，符合设计要求。但总体的增益比仿真略低1 dB 左右，分析原因是由于电路存在高频分布参数，造成实际电路反射系数增大，引起输出信号衰减所致。根据经验，可在实际电路中引入杂散参数反射模型，以进一步提高仿真精度。

下面给出测试环境照片，图7 是输入本振信号的频谱图，图8 是放大器输出信号的频谱图。

图7 输入信号频谱

图8 输出信号频谱

利用HP 频谱分析仪可以测量放大器的噪声系数，测试方法采用噪声系数相对测量法［12］:

其中，Nout是加上放大器后的噪声密度，Nin是信号源的噪声密度，G 是放大器的增益。下面给出测试环境的照片，频谱分析仪的型号是HP8595E，图9 是系统噪声测试的实验环境图片，使用的信号源是射频VCO产生的正弦信号;图10 是其中一次测试的结果。

图9 噪声测量

图10 噪声密度测量

下面给出放大器在主要应用频段的噪声系数实验测试结果:由表2 的数据可知，在2.4 GHz 主流应用频段，放大器的噪声系数在1.03 dB 左右，实验数据跟仿真数据十分接近，表明电路设计过程合理。分析噪声数据，在2.8 GHz 以下频段，电路的噪声系数在1.1 dB 以下，符合设计要求，可以满足无线蓝牙、WIFI、Zigbee 等多种无线ISM 波段产品的应用要求。但当频率达到2.8 GHz 以后，电路的噪声系数有缓慢增大的趋势，说明随着频率的升高，电路的噪声圆图匹配点逐渐偏移，造成系统性能下降，因此，在更高的频段应用时，需要对系统的匹配网络及稳定性圆图做进一步的优化和改进。

表2 噪声系数测试记录表

［1］ 白晓东.微波晶体管放大器分析与设计［M］. 北京:清华大学出版社，2003:96-97.

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