宽带平衡式低噪声放大器的研究与设计

刘文豹，杨自强，陈涛

电子科技大学电子工程学院，四川成都611731

宽带平衡式低噪声放大器的研究与设计

刘文豹，杨自强，陈涛

电子科技大学电子工程学院，四川成都611731

为解决低噪声放大器设计时带宽和驻波的问题，提出一种结合平衡放大结构和负反馈技术设计宽带低噪声放大器的方法。采用ATF38143晶体管，利用ADS软件对其进行匹配优化，以自偏压的形式提供负压简化电路，通过并联谐振电路调节增益平坦度，设计出一个工作在1．5～2．5 GHz内、端口驻波小于1．4，噪声系数优于0．55、最大增益大于14 dB、带内增益平坦度优于2 dB的宽带低噪声放大器，很好地解决了低噪声放大器的带宽和驻波问题。

平衡放大；负反馈；宽带；低噪声放大器；噪声系数

随着雷达技术和无线通信技术的快速发展，对两者的性能要求也越来越高，低噪声放大器（low⁃noise amplifier）处于雷达接收机和射频接收机射频前端的最前级，它的主要作用是放大接收到的微弱信号，抑制系统噪声，对整个系统的性能影响很大［1⁃3］。因此具有高增益、低噪声系数、宽带宽的LNA是现代电子技术的重要研究方向。

低噪声放大器的设计思路是通过对晶体管做最佳噪声系数匹配，通过选择合适的方案折中增益、噪声系数、带宽、增益平坦度、驻波等多个指标。文中基于晶体管ATF38143，采用平衡放大结构和串联负反馈结构实现宽带放大、提高稳定性，通过并联谐振电路满足带内增益平坦度，利用advanced design sys⁃tem（ADS）软件对晶体管的输入输出进行匹配仿真。

1 设计理论基础

1．1 平衡放大技术

平衡式放大器是由2个3 dB定向耦合器和2个相同的放大电路构成，基本的电路结构如图1［4］，第1个90°的混合耦合器将输入信号分成2路有着相等幅度但有90°相位差的分量，然后通过2路相同的放大电路放大。第2个3 dB的耦合器将2路放大的信号重新合在一起。因为混合耦合器的相位特性，来自放大器输入端的反射在2个耦合器的输入端被抵消，从而改进了阻抗匹配。平衡放大技术的主要优点有：1）可以获得平坦的增益、噪声系数；2）有较高的稳定度和驻波比；3）如果一路放大电路失效，放大器不会完全失效，增益只会适度的降低；4）由于平衡式的输入输出都是耦合器，容易级联。

图1 平衡式放大器电路的结构

本设计中耦合器采用了lange耦合器，该耦合器采用相互连接的4根耦合线。这种耦合器容易达到3 dB的耦合比，并且可以达到很宽的带宽。

1．2 串联负反馈技术

串联负反馈电路的结构是在晶体管的源级加入一个电抗性的元件，可以使用一个很小的电感也可以是一段微带线，图2为其基本电路形式［6］。源极串联负反馈主要用于提高放大器的稳定性，增加线性度，有益于实现噪声匹配。源极串联负反馈多采用感性元件且感值很小，在本设计中采用微带线代替，由于其无源性，并不会影响放大器的噪声。

图2 串联负反馈示意

2 放大器电路仿真与优化

ADS是Agilent公司的微波电路和通信系统仿真软件，可实现包括时域和频域、数字和模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真［4］。它内含基于矩量法mo⁃mentum的电磁仿真模块，是一种对3D进行简化的2．5D电磁仿真器，可对本设计中的lange耦合器进行联合仿真验证。

本设计目标是设计一个工作在1．5～2．5 GHz带宽内，噪声系数优于1，端口驻波小于1．5，带内增益大于10 dB，增益平坦度小于2 dB的低噪声放大器。

2．1 lange耦合器的仿真

在ADS中可以直接选择lange耦合器的模型建立仿真原理图，设置lange耦合器的参数。根据经验公式W／H＝0．107，S／H＝0．071，L＝λ／4，其中W为微带线的宽度，S为微带线之间的距离，H为基板的厚度，λ为设计中心频率的波长［7］。本设计采用介电常数为4．6、厚度为0．8 mm的F4板，因此可以计算出各个参数的初值，并通过ADS优化得出最佳的设计结果。为获得更准确的计算结果，使用ADS的momentum电磁仿真模块对lange耦合器的版图进行联合仿真，仿真的模型图片如图3。通过观察ADS的momentum仿真结果可以发现其与原理图的仿真结果有比较大的差别。通过改变原理图的W、S参数值反复仿真可得到最优的设计结果。联合仿真的结果传输参数S3，1、S4，1如图4，并且3个端口的回波损耗均优于－22 dB，由结果可知在带内该耦合器完全满足设计要求。

图3 串联负反馈示意

图4 lange耦合器联合仿真结果

2．2 低噪声放大器的仿真设计

通过ADS软件对所选晶体管ATF38143进行匹配，对单路的放大器进行设计。首先对晶体管进行直流仿真，结合器件手册确定晶体管的静态工作点。由于晶体管需要负压，为简化电路形式，采用自偏压的形式为晶体管提供负压，在源级接一个电阻到地，栅极接一微带线到地，这样栅极相对源级就成一个负压状态。同时在源级接一个2 mm长的微带线形成一个串联负反馈，提高稳定性。对晶体管的输入匹配采用最佳噪声系数匹配，这样可以保证整个电路有一个比较好的噪声系数指标，输出匹配按最大增益匹配来保证放大电路的增益要求。由于整个放大器的输入输出驻波由耦合器决定，放大器匹配时可以忽略这个指标，保证最优的噪声系数和增益。

将之前仿真的lange耦合器加入到原理图中，并将仿真得到的单路放大链路复制拷贝建立平衡式放大器原理图，完整的电路原理图如图5所示。由于仿真的增益在带内平坦度无法满足指标，可在每路放大电路中并联一个谐振电路的形式调节增益平坦度。该谐振电路由电容、电感和电阻构成，通过调节谐振回路的谐振频率和电阻的值使平坦度满足要求，同时谐振回路可以增加低频段的稳定性。

图5 本设计放大器的完整原理图

2．3 仿真结果与分析

对图5进行最终优化仿真，仿真结果如图6，由仿真结果可知在工作带宽1．5～2．5 GHz内，输入输出回波损耗优于－15 dB，两端口驻波小于1．4，噪声系数优于0．55，最大增益大于14 dB，带内增益平坦度优于2 dB，在0～6GHz内放大器绝对稳定，各项指标均满足设计要求。

图6 平衡式低噪声放大器仿真优化结果

3 结束语

设计低噪声放大器主要考虑的指标是噪声系数和增益，但是这通常会牺牲放大器输入驻波比的性能，因此普通结构的LNA设计都是折中各个指标。平衡式放大器能够在增加一定的噪声系数和损失一定的增益的条件下较好的改善输入、输出驻波比，扩展工作带宽，同时平衡式低噪声放大器的功率容量比单路放大器大一倍，可以有效增大接收机的动态范围。文中采用平衡式放大器结构和源极串联负反馈技术设计了一种宽带的低噪声放大器电路，通过ADS软件设计优化平衡电路中的lange耦合器，并对晶体管ATF38143进行匹配。采用自偏压的形式简化电路形式，通过并联谐振回路的形式调节增益平坦度。最终设计出一个工作在1．5～2．5 GHz内，两端口驻波小于1．4，噪声系数优于0．55，最大增益大于14 dB，带内增益平坦度优于2 dB的低噪声放大器。

通过设计仿真结果可知，将平衡式放大器结构和负反馈相结合引入低噪声放大器的设计可以很好地解决低噪声放大器的带宽和驻波问题，并能保证较好的噪声系数和带内增益。

［1］徐晓宁，胡兆刚．基于ADS的S波段平衡式宽带低噪声放大器的设计［J］．现代电子技术，2012，35（12）：149⁃152．

［2］杨秀丽，李铭祥，葛建民，等．GSM基站应用的平衡式低噪声放大器［J］．上海大学学报，2007，13（2）：130⁃133．

［3］刘文豹，陈涛，杨自强，等．S波段低噪声放大器的ADS仿真与设计［J］．电子产品世界，2013，2：37⁃39．

［4］赵霞．基于ADS的平衡式低噪声放大器设计．火控雷达技术，2009，38（2）：68⁃71．

［5］尹治强，谢扩军．基于ATF54143平衡式低噪声放大器的设计［J］．电子设计工程，2012，21（2）：86⁃88．

［6］刘抒民，田立卿．使用负反馈技术设计宽带低噪声放大器［J］．遥测遥控，2007，28（3）：59⁃63．

［7］徐兴福．射频电路设计与仿真实例［M］．北京：电子工业出版社，2009：140⁃190．

［8］GOO J S，AHN H T，LADWIG D J，et al．A noise optimiza⁃tion technique for integrated low noise amplifiers［J］．IEEE J Solid State Circuits，2002，37（8）：994⁃1002．

［9］SHAEFFER D K，LEE T H．A 1．5 V，1．5 GHz CMOS low noise amplifier［J］．IEEE Journal of Solid State Circuits，1997，32（5）：745⁃759．

［10］MONGIA R，BHARTIA P，BAHL I J．RF and microwave coupled⁃line circuits［M］．London：Artech House，1999：243⁃304．

Research and design of the broadband balance type low noise amplifier

LIU Wenbao，YANG Ziqiang，CHEN Tao

Institute of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology，Chengdu 611731，China

In order to eliminate the defects of band width and standing wave in the design of a low⁃noise amplifier，a design method for a broadband low⁃noise amplifier by combining balance amplification structure and negative feedback technology was proposed．ATF38143 transistor was applied，ADS software was used for matching and optimizing the transistor，a simplified circuit for negative voltage was provided in self⁃biasvoltage，and a parallel⁃connection reso⁃nance circuit was utilized to regulate the gain flatness．Finally，a broadband low⁃noise amplifier was designed，which works under 1．5～2．5 GHz，with standing wave at port less than 1．4，noise coefficient more than 0．55，the maximum gain above14 dB and the gain flatness inside band more than 2 dB．

balance amplification；negative feedback；broadband；low⁃noise amplifier；noise coefficient

TN710．3

A

1009⁃671X（2014）01⁃0022⁃04

10．3969／j．issn．1009－671X．20130421

2013⁃04⁃26．

日期：2013⁃07⁃04．

国家自然科学基金青年科学基金资助项目（61006026）

刘文豹（1986⁃），男，硕士研究生；杨自强（1981⁃），男，副研究员．

刘文豹，E⁃mail：499693448＠qq．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20130704．1124．001．html