低噪聲放大器設(shè)計(jì)指南           

1．低噪聲放大器在通訊系統(tǒng)中的作用

隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)各種無線通訊工具的要求也越來越高，功率輻射小、作用距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營(yíng)商乃至無線通訊設(shè)備制造商的普遍追求，這就對(duì)系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求，我們知道，系統(tǒng)接收靈敏度的計(jì)算公式如下：

                  S=-174+NF+10㏒BW+S/N……………………（1）

由上式可見，在各種特定（帶寬、解調(diào)S/N已定）的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)*前端的低噪聲放大器。低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收機(jī)來說是至關(guān)重要的

2． 低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：

2．1 噪聲系數(shù)NF

噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：

（3）

對(duì)單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：
其中 F_min為晶體管*小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，Γ_opt、Rn 和Γs分別為獲得 F_min時(shí)的*佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。

對(duì)多級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：

                NF=NF+(NF-1)/G+(NF-1)/G G +……          （4）

其中NF_n為第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，G_n為第n級(jí)放大器的增益。

在某些噪聲系數(shù)要求非常高的系統(tǒng)，由于噪聲系數(shù)很小，用噪聲系數(shù)表示很不方便，常常用噪聲溫度來表示，噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為：

            T_e=T₀(NF– 1 )                                      （5）

其中T_e  為放大器的噪聲溫度，T₀ =290⁰ K，NF為放大器的噪聲系數(shù)。

                NF(dB) = 10LgNF                                       （6） 

2．2放大器增益G：

放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值：

          G=P_out / P_in                                             （7）

    從式（4）中可見，提高低噪聲放大器的增益對(duì)降低整機(jī)的噪聲系數(shù)非常有利，但低噪聲放大器的增益過高會(huì)影響整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。

2．3輸入輸出的駐波比：

     低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征了其輸入輸出回路的匹配情況，我們?cè)谠O(shè)計(jì)低噪聲放大器的匹配電路時(shí)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得*小噪聲而設(shè)計(jì)為接近*佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)而不是*佳功率匹配網(wǎng)絡(luò)，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得*大功率和*低駐波比而設(shè)計(jì)，所以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配。這種失配在某些情況下會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對(duì)系統(tǒng)的影響，可用插損很小的隔離器等其他措施來解決。

2．4反射系數(shù)：

     由式3可知，當(dāng)Γ_s  = Γ_opt 時(shí)，放大器的噪聲系數(shù)*小，NF=NF_min ，但此時(shí)從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜?，輸入端是失配的，所以放大器的功率增益?huì)降低，但有些時(shí)候?yàn)榱双@得*小噪聲，適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯笃髟O(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種辦法。

2． 5放大器的動(dòng)態(tài)范圍（IIP3）：

在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，以免在接收機(jī)后級(jí)造成嚴(yán)重的非線性失真，一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3較高一點(diǎn)，至少比*大輸入信號(hào)高30dB，以免大信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生非線性失真。

除以上各項(xiàng)外，低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內(nèi)的增益平坦度等指標(biāo)也很重要，設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮。

3．低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法：

3.1 低噪聲放大管的選擇原則

 對(duì)微波電路中應(yīng)用的低噪聲放大管的主要要求高增益和低噪聲以及足夠的動(dòng)態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達(dá)到幾個(gè)千兆噪聲系數(shù)為幾個(gè)分貝，而砷化鎵小信號(hào)的場(chǎng)效應(yīng)管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在1分貝以下。

 我們?cè)谶x取低噪聲放大器管通常可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：

 1） 微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小工作頻段足夠高，晶體管的f_T一般要比工作頻率高4倍以上，現(xiàn)在PHEMT場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)在2GHz可在0.5dB左右，工作頻率優(yōu)異可達(dá)到6GHz。

    2）微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動(dòng)態(tài)范圍,一般要求放大器工作增益大于10dB以上, 當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到系統(tǒng)*大值時(shí)由放大器非線性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲，對(duì)于ZXPCS大基站項(xiàng)目由于*大輸入信號(hào)小于-44dBm，考慮到放大器13dB左右增益，我們選取了ATF34143 場(chǎng)效應(yīng)管它的增益可達(dá)15dB，OIP3為30dBm左右。

3.2 輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)原則

    對(duì)于單級(jí)晶體管放大器的噪聲系數(shù)，如上式（3）所示，式（3）可以化成一個(gè)圓的表達(dá)式，即等噪聲系數(shù)圓。圓上每一點(diǎn)代表一個(gè)能產(chǎn)生恒定噪聲系數(shù)NF的源反射系數(shù)。如要獲得需要的噪聲系數(shù)，只要在圓圖上畫出對(duì)應(yīng)于這個(gè)噪聲系數(shù)的圓，然后將源阻抗匹配到這個(gè)圓上的一個(gè)點(diǎn)就行了。實(shí)際設(shè)計(jì)中由于要兼顧到放大器的增益，通常我們不取*小噪聲系數(shù)。在對(duì)放大器進(jìn)行單項(xiàng)化設(shè)計(jì)時(shí)（假定S12＝0），轉(zhuǎn)移功率增益G_T可以由如下公式表示：

 G_T=G₀G₁G₂

     其中                        ，   對(duì)于特定的晶體管S₁₁、S₂₂是確定的，                                        不同的源反射系數(shù)Γ₁ 和負(fù)載反射系數(shù)Γ₂ ，可以構(gòu)成恒定增益圓，設(shè)計(jì)時(shí)只須將源和負(fù)載反射系數(shù)分別匹配到相應(yīng)的圓上，便能得到相應(yīng)的增益。將恒定增益圓與等噪聲系數(shù)圓結(jié)合起來設(shè)計(jì)，便能得到比較理想的結(jié)果。另外設(shè)計(jì)中還要注意增益平坦設(shè)計(jì)主要是優(yōu)異共軛匹配，低端校正，一般還需在多個(gè)中間頻率上進(jìn)行增益規(guī)定性校驗(yàn)，在高頻應(yīng)用時(shí)由于微波晶體管本身的增益一般隨著頻率的升高而降低，為了保證電路在低頻率段的增益恒定和穩(wěn)定性可以考慮在輸入輸出端采用高通匹配方式。

   在以上的討論中我們忽略了晶體管的反向傳輸系數(shù)，實(shí)際中微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極性晶體管都存在內(nèi)部反饋，微波管的S₁₂就表示內(nèi)部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)。S₁₂越大，內(nèi)部反饋越強(qiáng)，反饋量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激振蕩。微波管的S₂₁代表電壓波的正向傳輸系數(shù)，也就是放大倍數(shù)。S₂₁越大，則放大以后的功率越強(qiáng)。在同樣的反饋系數(shù)S₁₂的情況下，S₂₁越大當(dāng)然反饋的功率也越強(qiáng)，因此S₂₁也影響放大器的穩(wěn)定性。

一個(gè)微波管的射頻優(yōu)良穩(wěn)定條件是

 其中     

K稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)，K大于1是穩(wěn)定狀態(tài)，只有當(dāng)式（2－4）中的三個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器是優(yōu)良穩(wěn)定的。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為了保證低噪聲放大器穩(wěn)定工作還要注意使放大器避開潛在不穩(wěn)定區(qū)。

為改善微波管自身穩(wěn)定性，有以下幾種方式：

1）串接阻抗負(fù)反饋

    在MESFET的源極和地之間串接一個(gè)阻抗元件，從而構(gòu)成負(fù)反饋電路。對(duì)于雙極晶體管則是在發(fā)射極經(jīng)反饋元件接地。在實(shí)際的微波放大器電路中，電路尺寸很小，外接阻抗元件難以實(shí)現(xiàn)，因此反饋元件常用一段微帶線來代替，它相當(dāng)于電感性元件的負(fù)反饋。

2） 用鐵氧體隔離器

鐵氧體隔離器應(yīng)該加在天線與放大器之間，假定鐵氧體隔離器的正向功率衰減微為a，反向功率衰減為b，且a31，b>1。則＝     

G₀為加隔離器前的反射系數(shù)，G為加隔離器后的反射系數(shù)。

    用以改善穩(wěn)定性的隔離器應(yīng)該具有的特性是：

(1)        頻帶必須很寬，要能夠覆蓋低噪聲放大器不穩(wěn)定頻率范圍；

(2)        反向隔離度并不要求太高；

(3)        正向衰減只需保證工作頻帶之內(nèi)有較小衰減，以免影響整機(jī)噪聲系數(shù)，而工作頻帶外，則沒有要求。

(4)        隔離器本身端口駐波比要小。

3）穩(wěn)定衰減器

 P型阻性衰減器是一種簡(jiǎn)易可行的改善放大器穩(wěn)定性的措施，通常接在低噪聲放大器末級(jí)輸出口，有時(shí)也可以加在低噪聲放大器內(nèi)的級(jí)間，由于衰減器是阻型衰減，不能加在輸入口或前級(jí)的級(jí)間，以免影響噪聲系數(shù)。在不少情況下，放大器輸出口潛在不穩(wěn)定區(qū)較大，在輸出端加P型阻性衰減器，對(duì)改善穩(wěn)定性相當(dāng)有效。

3.3電路中需要注意的一些問題

     一般對(duì)于低噪聲放大器采用高Q值的電感完成偏置和匹配功能，由于電阻會(huì)產(chǎn)生附加的熱噪聲，放大器的輸入端應(yīng)盡量避免直接連接到偏置電阻上。

用于低噪聲放大器的印制板應(yīng)具有損耗小，易于加工，性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，材料的物理和電氣性能均勻（特別是介電常數(shù)和厚度），同時(shí)對(duì)材料的表面光潔度有一定要求，通常我們可以采用以FR-4（介電常數(shù)4~5之間），為基片的   板材，如電路要求較高可采用以氧化鋁陶瓷等材料為基片的微波板材，在PCB布板中則要考慮到鄰近相關(guān)電路的影響，注意濾波、接地和外電路干擾問題設(shè)計(jì)中要滿足電磁兼容設(shè)計(jì)原則。

4． 目前低噪聲放大器方面的設(shè)計(jì)手段。

目前低噪聲放大器的設(shè)計(jì)普遍采用CAD的方法進(jìn)行仿真，國(guó)內(nèi)較流行的有EESOF、MWOffice   ADS等軟件。相對(duì)而言Agilent 公司的ADS 功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)明直觀應(yīng)用范圍較廣，我公司的LNA基本上都采用了ADS進(jìn)行了仿真效果良好。

5． 目前同行業(yè)低噪放的發(fā)展水平

    隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，低噪聲放大器的性能不斷提高，采用PHEMT 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的低噪聲放大器的在800MHz頻段噪聲系數(shù)可達(dá)到0.4dB,增益約17dB左右，1900MHz頻段噪聲系數(shù)可達(dá)到0.6增益為15dB左右。

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