KU波段低噪声放大器设计

摘要：本文主要从低噪声扩大器设计理论与低噪声放大器的设计与仿真两面进行了分析，以供参考。

关键词：KU波段低噪声放大器；设计；理论；仿真

中图分类号： S611 文献标识码： A

一、低噪声扩大器设计理论

（一）低噪声扩大器的电路构造

低噪声扩大器通常由扩大器材、输入输出匹配网络、级间匹配网络和直流偏置电路等有些构成。低噪声扩大器的电路构造方式有平衡式和非平衡式两种。这篇文章选用有反应的非平衡式扩大器。相对于平衡式扩大器，其主要长处是构造简略紧凑、本钱更低，在取得低噪声功能的同时也可取得较高的增益，且能在较宽的频率范围内取得平整的增益特性

（二）低噪声扩大器的性能指标

微波低噪声扩大器的主要指标有：作业频带、稳定性、噪声系数、增益、驻波系数以及增益平整度等。其间噪声系数和增益对全部体系的影响较大。

1、稳定性

通常将扩大器分为肯定稳定和潜在不稳定两大类。假如负载阻抗和源阻抗能够恣意挑选，扩大器都能稳定地作业，则称为肯定稳定或无条件稳定；假如负载阻抗和能源阻抗不能随意意挑选，只有在一定范围内取值扩大器才干稳定作业，称为潜在不稳定或有条件稳定。肯定稳定的充要条件为：

2、噪声系数

噪声系数的定义是输入端信噪比与输出端信噪比的比值。信号经过放大器以后，因为放大器发生噪声，使信噪比变坏，信噪比降低的倍数即是噪声系数。在计算多级放大器的噪声功能时，主要考虑的是系统总的噪声系数。级联二端口网络噪声系数的计算公式为：

由上式可知，当最高级网络的增益足够大时，最高级网络的噪声系数F1对体系的总噪声系数Ftot起决定作用。因而，要降低放大器的噪声系数，除了要挑选噪声系数小的晶体管以外，还要将放大器的输入网络设计成最好噪声匹配状况。

3、增益

微波低噪声放大器的增益是微波晶体管的S参数、源阻抗Zs、负载阻抗ZL、二极管的直流偏置和作业频率的函数。微波放大器的功率增益有多种界说，比如：实践功率增益、变换功率增益和资用功率增益。对于实践的低噪声放大器，功率增益通常是指信源阻抗和负载阻抗都是5Ω状况下实测的增益。

4、驻波系数

低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配状况。在设计低噪声放大器的匹配电路时，为了取得最小噪声，输入匹配网络设

计为挨近最好噪声匹配网络而不是最好功率匹配网络，而输出匹配网络通常是依照最大增益设计。所以，低噪声放大器的输入输出端老是存在

某种失配。假如失配超越必定极限就会导致损耗添加，电路不稳，故需要对驻波比进行优化。输入输出端口的匹配程度，决定了端口对输入输出信号的反射状况，匹配越好，信号的反射越小。

（三）低噪声放大器的设计过程

低噪声放大器的设计过程通常包含以下五个过程：

1、器材和模型挑选。

2、电路方式挑选。

3、稳定性设计。

4、直流偏置电路设计。

5、匹配电路优化设计。

二、低噪声放大器的设计与仿真

（一）器件及电路结构选择

1、器材与构造

LNA构造形式主要有单端式、负阻反射型、平衡式等三种，单端式LNA的长处是本钱低，但匹配、调试都很艰难，整机功能通常，通常用在对放大器的功能需求不高的体系中；负阻反射型LNA主要用于作业频率高，电路损耗大，单级增益低的体系中，随着技能的开展，这种构造现在用的越来越少；平衡式LNA具有杰出的匹配，易于完成单级标准化，具有杰出的匹配、噪声特性、相位特性和动态规模，端口驻波比较低，易于供给恣意级级联。缺陷是电路复杂，使明晶体管较多，本钱较高，通常用于对LNA功能需求高的体系，与GaAsMESFET比较，HEMT具有更高的电子迁移率、截止频率和更大的跨导，在低噪声使用方面具有无与伦比的优越性。依据设计目标需求，挑选Fujitsu公司的FHX04XHEMT芯片，该芯片具有0.25μm栅长，200栅宽，在12GH、VDS=2V、IDS=10mA，

单级增益可达到10.5dB，同时具有0.75dB的噪声系

数。根据指标要求，本文采用图1所示的平衡式方案，其中的3dB耦合器采用Lange耦合结构，根据增益要求，平衡结构的每一支路采用两级芯片串联。输入输出及级间用微带结构匹配，以电阻电容元件实现偏置、笔直电路。电路基板厚度为0.5mm，介电常数9.6。

图1平衡放大器的结构框图

（二）直流偏置设计

根据芯片参数，选择直流工作点为Idss=10mA，Vgs=-05mV。微带电路中偏压电路的设计原则如下：

1、反射小，即对主传输线的附加驻波要小。

2、引入噪声小，即要求在有高频能量传输的网络中，尽量使用无耗网络，特别是放大器的第一级，如果实在不能避免则必须要加滤波网络来减小附加噪声的引入。

3、附加损耗小，即要求在频带内呈现纯电阻要小，使能量尽可能的沿主线传输到负载，但能耗网络的引入可以改善系统的驻波，因此可以根据具体的设计需要进行取舍。

4、高频能量泄漏小，即要有一定的频率选择性，不能使频带内的高频能量沿馈电泄漏出去，而使放大器的增益和输出功率降低。

据此，应用高低阻抗和扇形短截线做成偏置网络，减少微波信号对直流电路的影响。

（三）偏置电路的设计

偏置电路是扩大电路的重要组成部分，挑选适宜的偏置网络也是电路设计的重要部分。直流偏置电路设计的目的是挑选适宜的静态作业点，使之能依据应用需要，表现有源器材的功能，而且维持电压、电流、温度满足动态规模的安稳作业。依据VMMK-1225管的数据手册，在Vds=1.5V，Ids=40mA的偏置条件下，Vgs=0.8633V。因而能够选用单极性无源偏置网络，在管子的漏极和栅极加偏置，源极为直流接地状况，选用常用的电阻自偏压构造为晶体管供给相应的直流电压和电流，偏置电路如图1所示。

图1LNA偏置电路

（四）稳定性设计

只有在微波管处于安稳的情况下才干进行匹配电路的计划，改进晶体管安稳性变成其重要条件，改进方法主要有以下几种：

1、负反应，能够在源极串联电阻后接地，构成负反应，使电路处于安稳状况，在实践电路中，反应元件常用微带线来构成。

2、采用铁氧体隔离器，能够起到极好的安稳效果，隔离器的衰减对噪声功能有必定的影响。

3、安稳衰减器，能够在漏极串联电阻或Π型阻性衰减器，一般接在低噪声放大器末级或末前级输出口。

4、当放大器频带外增益呈现不易消除的增益尖峰时，比如在工作频带外的低端，能够运用低端增益衰减网络。本文选择在源极串接微带负反应电路的方法改进管芯的安稳性。在源极串联短路微带线，构成

负反应，通过重复调试断定微带线参数，确保电路处于安稳状况。图2给出了改进后安稳系数的仿真成果，能够看出全部频带内安稳系数大于1，在全部频带内无条件安稳。

偏置电路是扩大电路的重要组成部分，选择适合的偏置网络也是电路计划的重要部分。直流偏置电路计划的意图是选择适合的静态工作点，使之能依据运用需要，体现有源器件的功能，并且坚持电压、电流、温度满意动态规模的安稳工作。

图2LNA的稳定系数

（五）输入输出匹配设计

1、最小噪声的输入匹配设计

依据噪声理论，低噪声放大器的噪声系数主要由最高级放大器决议，因而最高级输入端需要用最小噪声匹配。输入端匹配网络的使命，归结起来是把晶体管出现的复数阻抗变换为信源实数阻抗（即50Ω电阻性的源阻抗）。匹配电路输出端的视入阻抗应等于最好噪声源阻抗，如此使放大器取得最好噪声。本文中仿真环境的温度为16.85℃，依据上述理论，取得最高级放大器的输入匹配电路、噪声系数以及输入驻波比，如图3所示。

图3LNA的偷入匹配电路、噪声系数和偷入驻波比

2、最大增益的输出匹配设计

依据最大增益原则，输出匹配网络的意图是把晶体管输出复阻抗匹配到实数阻抗50Ω。图4为最高级放大器的输出匹配电路、增益以及输出驻波比图。

图4 LNA的偷出匹配电路、增益和偷出驻波比

综合运用上述设计方法，设计了第一级LNA，其性能参数为：在中心频率12.1GHz下，噪声系数为0.2dB，增益为16.006dB，增益平坦度小于0.5dB，输入驻波比为1.087，输出驻波比为1.178。其性能良好。

结束语：

此文章使用ADS仿真工具，设计了一个Ku波段的平衡式HEMT低噪声放大器，并对放大器的各项功能指标进行了仿真，容差剖析标明本设计满意了设计出产的需求，一起平衡和单端构造的仿真对比证实：在相同的噪声指标下，前者比后者更易满意输入输出驻波比的需求，更高的动态接收规模，以及具有较高的稳定性。别的当平衡构造一个臂的晶体管损坏时，平衡放大器仍有输出，但功率增益降低了6dB，因而可靠性比单端式放大器高，适用于对LNA功能需求高的体系。

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