射频低噪声放大器设计与仿真

王振朝，种少飞，韦子辉，田晓燕，陈 雷

(1.河北大学电子信息工程学院，河北保定071002;2.保定天河电子技术有限公司博士后工作站，河北保定071002)

低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)是射频接收设备中的关键部件，主要用于放大接收信号从而提高接收机灵敏度及通信距离。LNA设计的难点在于需要考虑噪声系数、增益及稳定性等参数，处于绝对稳定状态且具有低噪声系数和较高增益的LNA是提高接收机接收灵敏度及通信距离的关键手段［1］。

本文以433 MHz频段为例并结合ADS(Advanced Design System)软件详细介绍了两级低噪声放大器完整的设计方法，完成了低噪声放大器的设计及仿真，并在433 MHz频段对低噪声放大器进行了实际测试。结果表明，在ADF7021射频收发芯片接收端加入设计的LNA后，提高了接收灵敏度，通信距离得到显著提高。

1 低噪声放大器的设计理论

放大器的性能指标主要是增益、稳定性、噪声系数、输入输出驻波比等，其中噪声系数及稳定性对接收系统影响较大。

1.1 稳定性分析

在工作频段内的稳定性是在设计LNA时首先要考虑的问题。放大器由于内部S12产生的反馈，可能使LNA工作在不稳定状态下，这会发生自激导致LNA不能正常工作［2］。因此，首先要判断LNA是否绝对稳定，判断LNA绝对稳定的条件为［3］

式中:K，B为稳定因数;S11为输入端反射系数;S22为输出端反射系数;S12为输入端匹配时输出端到输入端传输系数;S21为输出端匹配时输入端到输出端传输系数。

若根据放大管数据手册中的S参数并结合式(1)或式(2)计算来判断稳定性，则过程复杂。在ADS中利用稳定性判定系数Stab_face(s)或Stab_meas(s)可以直接对放大管进行稳定性分析，当Stab_face(s)＞1或Stab_meas(s)＞0时放大管处于绝对稳定状态［4］。当放大器处于不稳定状态时，可以采用在输入、输出端串联或并联小电阻，或引入负反馈电路等方法提高放大器的稳定性。但是前者会恶化噪声系数、降低放大器增益［5］。本文采用的是在放大管的集电极引入感性反馈的方法。

1.2 最小噪声系数和最大增益分析

低噪声放大电路的噪声系数和增益是衡量放大器性能的两个重要指标。按最佳噪声匹配得到的放大器的噪声系数最小，此时为最佳噪声匹配;按最大增益匹配得到的放大器的增益最大，此时为最大功率传输匹配。但这两者是相互矛盾的，因此设计低噪声放大器时需要权衡利弊得到最佳的设计方案。

多个放大管级联时的噪声系数为［6］

式中:Nfn为第n级放大管噪声系数;Gn为第n级放大管增益。

由式(3)可知，低噪声放大器的噪声系数主要取决于第一级放大管的噪声系数。综合考虑最小噪声系数和最大增益要求，本文采用的设计方案为:第一级输入端采用最佳噪声匹配，级间和第二级输出采用最大功率传输匹配。同时设计合适的第一级放大管的偏置和反馈电路以适当提高其增益，减小第二级放大管对噪声系数的影响。这样既保证了低噪声放大器小噪声系数的要求，也保证了放大电路增益的要求。图1为低噪声放大器整体框图。

图1 低噪声放大器整体框图

2 低噪声放大器设计与仿真

为改善远距离通信效果，低噪声放大电路必须有较高增益和很低的噪声系数，为提高增益低噪声放大器采用两级放大管级联结构。一级放大管选用NEC公司的2SC3356，二级放大管选用PHILIPS公司的BFR520，前者噪声低、线性度好，而后者输出功率高。两者综合使用，可以达到较高增益。低噪声放大器的设计主要包括:偏置电路设计、稳定性分析、匹配网络设计与电路优化与仿真。

2.1 偏置电路设计及稳定性分析

偏置电路对于放大管至关重要，直接影响着放大管的工作状态。在ADS中导入放大管的S参数模型，并进行直流仿真，选择合适的直流工作点。本设计选择2个放大管的工作点为:VCE=3.3 V，IC=10 mA。根据确定的工作点设计偏置电路，并在放大管的直流和交流通路之间加入隔直电容和扼流电感，以更好地稳定静态工作点。为了使稳定判别系数K在工作频点大于1，本文在放大管的集电极加入反馈电感以保证放大管的绝对稳定。加入偏置和反馈电路如图2所示，其中L2为加入的反馈电感，同时也起到扼流作用。对放大管进行仿真，得到放大管的稳定系数Stab_face(s)均大于1，如图3所示。在工作频点内放大管达到绝对稳定状态，并且放大管在低频部分也很稳定，避免了中低频区可能导致的自激震荡。

图2 偏置电路

2.2 匹配网络设计

匹配网络对整个放大器起关键作用，它最终决定了增益、输入输出驻波比及噪声系数。本文匹配网络的设计包括:最佳噪声匹配、级间匹配、最大功率传输匹配。利用等噪声系数圆和等增益圆，进行低噪声放大器匹配网络的设计［7］。

图3 稳定系数仿真结果(截图)

根据等噪声系数圆和等增益圆仿真第一级放大管，得到等噪声系数圆和等增益圆，如图4所示。点m4获得最小噪声系数0.520 78 dB，增益大约为16.819 dB，由于第一级放大电路主要考虑噪声系数，得到最小噪声系数下的输入端阻抗为50×(0.479+j0.484)。使用DA_Simth-CharMatch进行匹配网络设计，50B通过匹配网络匹配到m4的共轭点，仿真结果如图5所示，其中点m4达到匹配点，完成了最佳噪声匹配。

图4 等噪声系数圆和等增益圆(截图)

图5 最佳噪声匹配仿真(截图)

根据输出阻抗控件，得到一级放大管在433 MHz时的输出阻抗为92.974－j6.91。输出端的匹配网络采用最大功率传输匹配，加入匹配网络后仿真结果如图6所示。输出端的输出阻抗为49.748+j0.032，已经接近50Ω。

图6 输出端匹配仿真(截图)

第二级的匹配过程不再赘述，需要注意的是:第二级放大管主要考虑的是增益问题，故输入端匹配网络采用最大功率传输匹配，即共轭匹配。第二级放大电路的仿真结果如图7所示，第二级放大管在工作频段增益曲线S21为19.353 dB，且具有良好的增益平坦性能，回波损耗曲线S22 为 －37.938 dB，噪声系数为1.008 dB。

2.3 电路优化与仿真

在ADS原理图中把两级放大电路级联，仿真得到低噪声放大器的S参数。在实际制作中，使用的器件不可能是理想的仿真值，故电路中的匹配网络需要根据S参数进行优化，使低噪声放大器性能符合设计要求。优化后完整的LNA电路图如图8所示，其中C1、C2、C6、C7为放大管的隔直电容，仿真结果如图9所示。图9中m1点所在的曲线为噪声系数曲线，在433 MHz时低噪声放大器的噪声系数为0.572 dB，m2点所在的曲线为稳定系数曲线，在433 MHz时的稳定系数为1.386，设计的低噪声放大器处于绝对稳定状态下。m3点表示低噪声放大器的增益曲线S21在433 MHz时为34.835 dB，m4和m5所在曲线分别表示低噪声放大器的输入、输出驻波比，在433 MHz时分别为1.14 dB、1.192 dB。点m6、m7基本到达匹配点，低噪声放大器的输入、输出匹配良好。

图7 BFR520仿真结果(截图)

图8 两级低噪声放大器电路(截图)

需要注意的是，设计的匹配网络是按照最大功率传输设计的，没有考虑传输线与负载之间的无反射匹配，所以在制作PCB版时要根据板子的材质及厚度计算出输入输出的信号线的线宽以使其特性阻抗为50Ω，保证信号线与负载的无反射匹配。在制作PCB版图时为了方便调试，在匹配网络中加入一些备用的焊盘，在第一级放大管输出端加入天线焊盘方便单级放大管调试。

图9 两级低噪声放大器仿真结果(截图)

3 低噪声放大电路测试及应用

在测试过程中使用Agilent E4433信号源和Agilent E4405B频谱测试仪进行测试。得到低噪声放大器的增益为27 dB，回波损耗为－23 dB。噪声系数借助惠普公司的HP8970B噪声测试仪，测得噪声系数为0.589 dB。

为验证本文设计LNA的实用性，在使用ADF7021射频收发芯片的通信模块接收端加入该LNA，ADF7021是ADI公司生产的一款高性能、低功率、窄带收发器，其可在窄带、免执照 ISM频段以及80～650 MHz和842～916 MHz频率范围的许可执照频段内工作，广泛应用于工业现场数据传输、无线抄表等领域。ADF7021内部已集成自动调整增益的低噪放大电路，接收灵敏度在－112 dBm左右，在加入LNA后，采用ADF7021的通信模块接收灵敏度提高7～8 dB，通信距离提高近一倍，说明该低噪声放大器具有较高的增益和较低的噪声系数。

4 总结

本文结合ADS软件、等噪声圆及等功率圆介绍了两级LNA的设计方法，并通过集电极串联电感的方法实现了LNA在工作频段内的绝对稳定状态。最后完成了两级放大管的偏置电路设计和最佳噪声以及最大功率匹配电路设计，并根据仿真结果对噪声系数和S参数进行了优化。将设计的低噪声放大器应用在中心频率为433 MHz的射频通信模块中，测试结果表明，在工作频段内该低噪声放大器具有较高的增益和良好的匹配，提高了接收系统的接收灵敏度，增加了通信模块的通信距离。这种LNA电路对射频通信模块接收端设计具有重要使用价值。

［1］段成丽，徐江，王浩，等.S波段低噪声放大器仿真设计［J］.压电与声光，2012，34(4):622－626.

［2］丛密芳，南敬昌，李久超.RFID低噪声放大器设计与仿真［J］.计算机仿真，2011，28(4):393－396.

［3］ REINHOLD L，PAVEL B.RF circuit design:theory and applications［M］.［S.l.］:Prentice Hall，2003.

［4］ Design of observer－based feedback control for time－delay systems［EB/OL］.［2013－05－12］.http://www－personal.umich.edu/～ ulsoy/TDS_Chapters/TDS_Chapter7.htm .

［5］梁立明，南敬昌，刘影.基于ADS射频低噪声放大器的设计与仿真［J］.计算机仿真，2009，26(11):352－355.

［6］万建岗，高玉良，左治方.基于ADS仿真的宽带低噪声放大器设计［J］.电视技术，2009，33(4):58－61.

［7］吴先智，孙玲，包志华.超高频RFID读卡器接收前端低噪声放大器设计［J］.南通大学学报，2009，8(2):8－10.