2.0～3.5 GHz单路宽带低噪声放大器

姚银华　范童修　卢胜军

摘 要： 使用微波仿真软件ADS设计了一款用于2.0～3.5 GHz无线通信的宽带低噪声放大器。匹配网络采用微带线，减小了分立元件的寄生效应。详细阐述了提高放大器稳定性的方法，实现了PHEMT 放大器在全频段的稳定性，并分析了源极反馈电感对放大器性能的影响。在2.0～3.5 GHz频段内，放大器增益为12 dB左右，增益平坦度为0.23 dB，最大噪声系数为2.8 dB，输入输出驻波比小于2，三阶输出截点值OIP3大于35.5 dBm。设计的放大器可以用于无线通信的前段中。

关键词： ADS； 微带线； 单路宽带低噪声放大器； PHEMT放大器

中图分类号： TN43?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0068?04

Abstract： A broadband band amplifier with low noise was developed for wireless communication at 2.0～3.5 GHz by means of the microwave simulation software ADS. Microstrip lines are employed to design matching circuits and reduce the parasitics of discrete elements. The method of improving the stability of amplifier is elaborated. The PHEMT amplifiers stability in whole band was implemented. The effects of source electrode feedback inductance on performances of the amplifier were analyzed. In the frequency range of 2.0～3.5 GHz， the amplifier gain is about 12 dB， gain flatness 0.23 dB， highest noise figure is 2.8 dB， input and output SWRs are less than 2， and output third?order intercept point （OIP3） is over 35.5 dBm. The designed amplifier can be used in the front?end of wireless communication.

Keywords： ADS； microstrip line； single?charmel wideband low?noise amplifier； PHEMT amplification

0 引 言

低噪声放大器是T/R组件接收通道的主要部件，是雷达的接收前端，对整机性能的影响很大[1?3]。随着现代无线通信的不断发展，对无线系统的射频接收机的要求也越来越高。低噪声放大器需要具有更低的噪声系数，更高的增益，足够宽的工作带宽和良好的增益平坦度[4?5]。

国内外对于窄带低噪声放大器的设计已比较成熟，这是由于在单个或多个频点的阻抗匹配较容易实现，但是在宽带低噪声放大器方面，问题就变得复杂了许多，最主要的问题就是宽带的阻抗匹配[6]。宽带LNA可以应用在宽带通信中，如多频段移动终端和基站[7]。未来无线通信的射频前端必须能够覆盖WCDMA，WLAN，HIPERLAN等的频率，这也需要宽带LNA来实现。对宽带放大器的研究主要集中在如何提高带内增益和降低噪声系数，却少有文章报道如何实现稳定性。

常用于低噪声放大器的有源器件有双极晶体管（BJT）、金属?半导体场效应晶体管（MESFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极晶体管（HBT）[3，8]。BJT主要在S波段以下使用，价格便宜，可靠性高。HEMT和HBT采用三元化合物半导体材料，可以通过控制不同的材料成分来裁剪其能带结构，从而控制材料的特性。HEMT主要用于低噪声放大器，HBT主要用于功率放大和低噪声本振源。HEMT中噪声源之间的相关系数抵消了各个噪声源对总噪声的贡献。赝势高电子迁移率晶体管（PHEMT）由于具有良好的增益和噪声特性，广泛应用于低噪声放大器的设计中。但是PHEMT的最佳噪声阻抗匹配点和增益匹配点往往相差较远，并且在低频段存在不稳定性[1，9]，所以在设计低噪声放大器时，噪声与增益是一对相互矛盾的指标[10?11]。但是实际上LNA的各个指标是相互制约的，不仅仅局限于增益与噪声。LNA设计主要是匹配网络和偏置网络的设计。输入输出匹配就是分别把输入输出阻抗[Zin]和[Zout]匹配到50 Ω源阻抗和负载阻抗。LNA的匹配电路设计本质上就是解决噪声匹配和功率匹配的关系，同时兼顾增益和稳定性。输入匹配网络一般是为获得最小噪声而设计，为接近最佳噪声匹配网络而不是最佳功率匹配网络，而输出匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比而设计，因此低噪声放大器的输入端总是存在某种失配。由于电路的工作频率比较高，考虑到集总元件的寄生参数的影响，所以在匹配网络设计上，本文用ADS软件自带的Smith工具，采用微带线和短截线设计了T型匹配电路。

晶体管的静态工作点不但决定放大器电路是否产生失真，而且还影响着放大倍数、输入电阻等动态参数。因此为确保场效应晶体管的工作状态，保证电路不产生失真，必须设计相应的偏置电路，从而把直流或控制电压通过偏置电路加在晶体管各电极上。根据器件手册，偏置电压[Vds=]4 V，偏置电流[Ids=]135 mA，利用电阻分压设计了偏置电路。偏置电路中的两个大电感[L1]和[L2]既起到直流馈电作用，同时又起到电抗的加载作用。但是若电感量选取不合适，将会因加载不当造成自激。

若[K>1，]则有源器件是无条件稳定的，可与任何信号源阻抗或负载阻抗组合；反之，若[K<1，]则是潜在性不稳定的，在与某些信号源阻抗组合时，可能引发振荡[12]。通常设计的LNA需要全频段绝对稳定，而我们使用的晶体管ATF?531P8并非全频段内绝对稳定，带外一定范围的不稳定依然有自激振荡的可能。如果射频功率管在某些频率点存在不稳定性，设计不当可能在这些频率点发生振荡甚至由此而导致管子烧毁。

为了使电路不发生振荡出现烧坏管子的可能，必须对电路结构进行调整，使放大器在全频段达到稳定。调整的措施有很多：

（1） 可以在输入端串联一个有耗RC并联电路，利用谐振作用，降低某一频段的增益，从而达到该频段的稳定。RC网络的电阻[R5]适当取值可以提高低频段的稳定系数，降低噪声系数，但是取值太大将会恶化增益平坦度；

（2） 在输入输出端串联或并联电阻，用来吸收从源端传输的或从负载端反射回来的能量，降低增益；

（3） 在漏极偏置电路中加入串联电阻并联电容接地的低通结构，吸收电路在低频段的增益，防止电路在低频处自激振荡[9]；

（4） 采用栅?漏极负反馈电阻电容；

（5） 采用源电感或微带线反馈，这是大多数文献采用的方法[13?16]。源极电感负反馈结构也可以实现较好的输入阻抗匹配，降低低

1.2 仿真结果

由于晶体管本身的电容性质，使得共源极结构的宽带输入匹配很难实现[18]。在放大器设计过程中，要改善宽带匹配，则需要并联负反馈电阻，反馈电阻的加入可以提高稳定系数，可以在宽带中获得更好的增益平坦度[18]。但是放大器的噪声系数随着负反馈电阻的减小而增大，若要很好地实现宽带匹配，必然使噪声系数进一步变差[12]，因而在反馈电阻阻值的选取上要综合考虑宽带匹配以及噪声的问题。

2 结 论

本文利用Agilent公司的ATF?531P8 PHEMT器件的非线性模型，设计了一款S波段2.0～3.5 GHz的宽带低噪声放大器。结合各种改善稳定措施的方法，实现了LNA在全频段的稳定性；并且对源极加反馈电感的情况进行了分析，源极负反馈电感虽然有利于实现3 GHz以下的输入输出匹配，但使得增益平坦度变差。仿真结果表明，设计的LNA输入输出驻波比均小于2，最大噪声系数小于2.8 dB，增益为12 dB，平坦度为0.23 dB，输出三阶截点值OIP3大于36 dBm。这样的LNA可以用于WCDMA，WLAN无线通信中初级放大器。

参考文献

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[12] LUDWING R， BOGDANOV G. RF circuit design theory and application [M]. 2 ed. [S.l.]： Publishing House of Electronics Industry， 2012.

[13] 周建明，陈向东，兰萍，等.1.9 GHz CMOS射频低电压低功耗噪声放大器的设计[J].电子技术应用，2010（6）：53?56.

[14] 刘春娟，王永顺，吴蓉，等.一种GaAs基HEMT低噪声放大器的设计实现[J].半导体技术，2010（6）：594?597.

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[17] 武振宇，马成炎，叶甜春，等.一种可切换的双频段CMOS低噪声放大器[J].微电子学，2010（2）：217?221.

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若[K>1，]则有源器件是无条件稳定的，可与任何信号源阻抗或负载阻抗组合；反之，若[K<1，]则是潜在性不稳定的，在与某些信号源阻抗组合时，可能引发振荡[12]。通常设计的LNA需要全频段绝对稳定，而我们使用的晶体管ATF?531P8并非全频段内绝对稳定，带外一定范围的不稳定依然有自激振荡的可能。如果射频功率管在某些频率点存在不稳定性，设计不当可能在这些频率点发生振荡甚至由此而导致管子烧毁。

为了使电路不发生振荡出现烧坏管子的可能，必须对电路结构进行调整，使放大器在全频段达到稳定。调整的措施有很多：

（1） 可以在输入端串联一个有耗RC并联电路，利用谐振作用，降低某一频段的增益，从而达到该频段的稳定。RC网络的电阻[R5]适当取值可以提高低频段的稳定系数，降低噪声系数，但是取值太大将会恶化增益平坦度；

（2） 在输入输出端串联或并联电阻，用来吸收从源端传输的或从负载端反射回来的能量，降低增益；

（3） 在漏极偏置电路中加入串联电阻并联电容接地的低通结构，吸收电路在低频段的增益，防止电路在低频处自激振荡[9]；

（4） 采用栅?漏极负反馈电阻电容；

（5） 采用源电感或微带线反馈，这是大多数文献采用的方法[13?16]。源极电感负反馈结构也可以实现较好的输入阻抗匹配，降低低

1.2 仿真结果

由于晶体管本身的电容性质，使得共源极结构的宽带输入匹配很难实现[18]。在放大器设计过程中，要改善宽带匹配，则需要并联负反馈电阻，反馈电阻的加入可以提高稳定系数，可以在宽带中获得更好的增益平坦度[18]。但是放大器的噪声系数随着负反馈电阻的减小而增大，若要很好地实现宽带匹配，必然使噪声系数进一步变差[12]，因而在反馈电阻阻值的选取上要综合考虑宽带匹配以及噪声的问题。

2 结 论

本文利用Agilent公司的ATF?531P8 PHEMT器件的非线性模型，设计了一款S波段2.0～3.5 GHz的宽带低噪声放大器。结合各种改善稳定措施的方法，实现了LNA在全频段的稳定性；并且对源极加反馈电感的情况进行了分析，源极负反馈电感虽然有利于实现3 GHz以下的输入输出匹配，但使得增益平坦度变差。仿真结果表明，设计的LNA输入输出驻波比均小于2，最大噪声系数小于2.8 dB，增益为12 dB，平坦度为0.23 dB，输出三阶截点值OIP3大于36 dBm。这样的LNA可以用于WCDMA，WLAN无线通信中初级放大器。

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若[K>1，]则有源器件是无条件稳定的，可与任何信号源阻抗或负载阻抗组合；反之，若[K<1，]则是潜在性不稳定的，在与某些信号源阻抗组合时，可能引发振荡[12]。通常设计的LNA需要全频段绝对稳定，而我们使用的晶体管ATF?531P8并非全频段内绝对稳定，带外一定范围的不稳定依然有自激振荡的可能。如果射频功率管在某些频率点存在不稳定性，设计不当可能在这些频率点发生振荡甚至由此而导致管子烧毁。

为了使电路不发生振荡出现烧坏管子的可能，必须对电路结构进行调整，使放大器在全频段达到稳定。调整的措施有很多：

（1） 可以在输入端串联一个有耗RC并联电路，利用谐振作用，降低某一频段的增益，从而达到该频段的稳定。RC网络的电阻[R5]适当取值可以提高低频段的稳定系数，降低噪声系数，但是取值太大将会恶化增益平坦度；

（2） 在输入输出端串联或并联电阻，用来吸收从源端传输的或从负载端反射回来的能量，降低增益；

（3） 在漏极偏置电路中加入串联电阻并联电容接地的低通结构，吸收电路在低频段的增益，防止电路在低频处自激振荡[9]；

（4） 采用栅?漏极负反馈电阻电容；

（5） 采用源电感或微带线反馈，这是大多数文献采用的方法[13?16]。源极电感负反馈结构也可以实现较好的输入阻抗匹配，降低低

1.2 仿真结果

由于晶体管本身的电容性质，使得共源极结构的宽带输入匹配很难实现[18]。在放大器设计过程中，要改善宽带匹配，则需要并联负反馈电阻，反馈电阻的加入可以提高稳定系数，可以在宽带中获得更好的增益平坦度[18]。但是放大器的噪声系数随着负反馈电阻的减小而增大，若要很好地实现宽带匹配，必然使噪声系数进一步变差[12]，因而在反馈电阻阻值的选取上要综合考虑宽带匹配以及噪声的问题。

2 结 论

本文利用Agilent公司的ATF?531P8 PHEMT器件的非线性模型，设计了一款S波段2.0～3.5 GHz的宽带低噪声放大器。结合各种改善稳定措施的方法，实现了LNA在全频段的稳定性；并且对源极加反馈电感的情况进行了分析，源极负反馈电感虽然有利于实现3 GHz以下的输入输出匹配，但使得增益平坦度变差。仿真结果表明，设计的LNA输入输出驻波比均小于2，最大噪声系数小于2.8 dB，增益为12 dB，平坦度为0.23 dB，输出三阶截点值OIP3大于36 dBm。这样的LNA可以用于WCDMA，WLAN无线通信中初级放大器。

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