基于噪声抵消技术的超宽带低噪声放大器

蔡宁霞　金瑾

【摘 要】自从美国联邦通信委员会（FCC）从2002年开始允许超宽带技术在商业通信领域使用以来，超宽带技术一直都是学者和工程师的研究热点，从而超宽带技术的发展步伐逐渐加快。

【关键词】噪声抵消；超宽带；噪声放大器

引言

低噪声放大器是雷达接收前端的重要组成部分，从天线进入接收机的微弱信号由低噪声放大器进行放大，其性能是决定接收系统灵敏度和动态范围的关键。但低噪声放大器承受功率有限，因此使用时往往在其前级级联限幅器。由于成本与体积的要求，限幅器和低噪放多采用一体化设计。目前，具有更高功率容量和增益、更低噪声系数以及更小体积的限幅放大器成为国内外微波电路领域重要的研究方向。

1、低噪声放大器的稳定性

放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定。这一点对于射频电路是非常重要的，因为射频电路在某些工作频率和终端条件下如果不稳定的话，将有产生震荡的可能。放大器的稳定性可分为两种：一种是绝对稳定或称无条件稳定，在这种情况下，对于所有的无源负载和信号源阻抗，放大器都能稳定地工作；另一种称为有条件稳定，在这种情况下，负载阻抗和信号源阻抗不能任意选取，要有一定的限制，否则放大器不能稳定工作。设计者可以利用放大器电路的S参数来计算它的绝对稳定性。一个射频二端口网络的绝对稳定条件是：

Mu_s和Mu_l分别是输入端和输出端的稳定性判定因子，只要有一个大于1，则放大器无条件稳定[30]，在本文设计放大器中，使用第二种判定条件判断LNA的稳定性。

2、宽带低噪声放大器设计

主要设计指标：频率1～3GHz，增益≥29dB，平坦度≤±0.6dB，噪声系数NF≤0.9dB，输入输出驻波比VSER≤1.5。

电路设计方案分析 低噪声放大器的设计主要考虑放大器的噪声、增益、输入输出驻波比以及平坦度等参数。设计时应首先选择合适的器件，本次设计中采用的是管芯为FHX45X型Super-HEMT。虽然器件数据手册上推荐频率范围为2～18GHz，但从其S参数看出器件频率可以用于低至100MHz（手册上噪声参数是从2GHz开始的，但之前的实验表明2GHz之前的噪声系数与仿真结果差别不大）。

该管芯在12GHz时噪声为0.55dB，增益为12dB。由于采用了耗尽型器件，栅源偏置电压需要为负值。文中采用栅极直流接地、源极电阻提供偏压的结构实现。图1为放大器的偏置电路，其中供电电源为+5V，通过电阻降压得到2V的漏源电压，源极偏压由源极电阻提供，这样不用单独提供栅压。FHX45X型SuperHEMT的静态工作点置于Vgs=-0.4V，Vds=2V，1ds=15mA.

3、低噪声放大器的增益及其平坦度

放大器功率增益就是输出功率与输入功率的比值。依照输出功率和输入功率定义的不同，又可分为转移增益、实际增益、相关增益、资用增益等。一般用分貝（dB）表示。对于实际的低噪声放大器来说，功率增益通常是指信号源和负载都是50Ω的情况下实测增益。其表达式为：

在测量时，信号源和功率计都是标准50Ω匹配，所测Pi是信号源的资用功率，而Po则代表50Ω负载所获得的功率。从这个方面上讲，功率增益G中考虑了放大器的输入、输出失配所造成的增益下降的因素。低噪声放大器的工作频率以及带宽指的是其在频域的工作范围，在此范围内，其各项指标都满足设计需求。增益平坦度指的就是功率增益在工作频带内的起伏，常常用最高增益减去最小增益即可得到增益平坦度，即△G来表示，如图2所示。

ΔG越小，说明整个频带范围内，增益越平坦。增益平坦度是宽带低噪声放大器较为重要的技术指标之一。

4、低噪声放大器的板级验证

4.1基片的选择。板材的性能指标包括有介电常数ξr、损耗因子（介质损耗角正切）tanδ、表面光洁度、表面导体导电率、抗剥强度、热涨系数、抗弯强度等。其中介电常数ξr、损耗因子是主要参数。表1是现如今较为主流的板材的总结，并比较了它们的主要参数。

由表1可以看出，Rogers4350B即表中的RO4350B，具有较低的热膨胀系数，较低的损耗角正切，较低的介电常数。因此，选用Rogers4350B作为此次板级放大器设计的基板。在国内RO4350B，板材厂家生产的规格有10mil/20mil/30mil/60mil等四种板厚度，电路板的特性阻抗随着它的厚度的增加而增加，因此我们选择了厚度适中的大小为30mil的规格。此次交付生产的基板，实际相对介电常数为3.48，基板厚度为0.762mm（30mil），微带线金属铜片厚度为0.07mm，损耗角正切（tanδ）为0.0037。

4.2器件的选取。晶体管的选取用于微波电路的晶体管其主要参数指标为截止频率fT和噪声系数，我们在做晶体管的选取的时候fT是一个重要的参考量，要比我们设计的工作频带高4倍数以上，即在工作频带最高处晶体管的增益仍然能达到12dB以上。晶体管作为低噪声放大器的重要元件其噪声系数也是至关重要的。其次是晶体管的封装。我们知道，在射频微波电路中，由于信号的频率非常高，波长短，如果器件的封装尺寸越大，带来的寄生干扰也就越大，因此，我们选择封装尺寸相对较小的晶体管。而且，满足上述条件后，还需选择有ADS模型文件的晶体管。所设计的放大器需要在ADS中进行仿真验证，如果没有模型文件，我们将无法仿真。某公司的BFP740三极管的增益和噪声系数示意图如下面所示，图3为该型号三级管的增益随频率变化的增益示意图，根据该图可知：在1.8GHz时，该管的最大稳定增益为27dB，按照每倍频6dB衰减来计算，在7GHz时仍可获得15dB的最大稳定增益，相比于其他的晶体管来说，该管的增益性能适用于我们设计的宽带低噪声放大器。

4.3无源器件的选取

电阻是电子电路的最基本的无源元件之一，电阻在本论文板级放大器中起到搭建偏置电路和放大器负载的作用。由于金属薄膜电阻焊接在PCB板上时寄生电感较大，因此选用贴片金属膜电阻。而且贴片电阻的电性能稳定，可靠性高，体积较小，所以采用贴片电阻，等效电路如图4所示。由于电感、电容值均不是特别大，因此在低频时呈现出电阻特性，随着频率的增加电容C2起主要作用，阻抗逐渐减小；当达到L1、L2和C1谐振点时阻抗达到最小值。再随着频率的增加电容呈现电感特性，电感L1、L2起主导作用，阻抗值随频率增大而增大。由于电感值较小，增大比较平缓。

4.4板级放大器的实现

由于芯片设计和 PCB 设计区别较大，因此需做出相应调整，但是其核心放大电路拓扑结构是相同的。输入匹配由微带线 TL1、TL2，电容 C1，电感 L1组成；输出匹配由微带线TL4、TL3，电容C5组成。为4.3节中分析的輸入、输出匹配。整个板级放大器的拓扑结构如5所示。

对图5的电路原理图在ADS 中进行仿真，初步验证电路功能的正确性。之后，导入电阻、电容、电感和晶体管的仿真模型，把较长的理想导线替换为微带线，完成预布线。

按照上图画出电路图后，通过在版图中调节各个元件的位置来优化版图结构和面积，由于微带连接线的长度和宽度对信号传输有影响，对它们调整后都需要在原理图中调节元件的值和微带线的参数来保持电路的性能。通过版图与电路原理图的调试，可以大致确定所有微带线的尺寸，然后在 ADS 中绘出适合电磁仿真用的版图。

4.5板级放大器的输入、输出匹配

由于在高频时分立元件的寄生参数效应十分明显，在设计时必须将这些寄生效应考虑进去，这使得采用集总元件实现输入输出匹配变得十分困难，频率高时，由于工作波长，微带线的机械尺寸通常是既短又宽。若采用分支线结构，则由于分支线太短，微带线的不均匀区的电磁场影响很大，计算精度相对要下降。因此，本论文的输入、输出匹配均采用单节短截线匹配网络。在印制电路板设计中，开路短截线往往更加适合匹配网络，因为开路短截线不需要打通孔。而短路短截线则必须有通孔，这样就会带来一定的寄生干扰。实际放大器都有一定的工作频带，从理论上讲，微带线单纯的用微带线匹配，只能是一个频率点上或者很窄的窄带，而整个频带内多个频率点的阻抗不可能都匹配良好。因此，匹配电路形式往往是综合运用的。因此，本文的宽带低噪声放大器板级电路的输入、输出匹配网络采用微带线加集总元件匹配网络。

结束语

超宽带低噪声放大器（UWBLNA）作为超宽带无线接收机的重要模块，越来越受到人们广泛关注。本论文对基于噪声抵消技术的超宽带低噪声放大器行研究，实测结果验证了板级宽带低噪声放大器设计的可行性。

参考文献：

[1]徐洪波.基于CMOS工艺的超宽带低噪声放大器设计[D].西南交通大学，2010.

[2]岑明灿.无线接收机前端低噪声放大器的研究[D].广西师范大学，2014.

[3]杨帆.宽带接收机关键电路模块的设计[D].电子科技大学，2013.

[4]沈晓燕，杨衡静，张振娟.一种基于噪声抵消的0.5μmCMOS宽带低噪声放大器设计[J].电路与系统学报，2010，04：82-85.