2.4 GHz高增益极低噪声放大器设计*

罗 兵，詹忠山，张永亮，邱文华，王喜瑞

（1. 广东机电职业技术学院信息工程学院， 广州 510515；2. 广东好帮手电子科技股份有限公司集团研发中心，广东 佛山 528113）

1 引言

近年来，WLAN（无线局域网络）系统、卫星通信、全球定位系统等无线通信技术得到了快速的发展，尤其是WLAN系统在民用领域得到了大量的应用，然而WLAN系统通信距离短，接收机接收系统灵敏度较低。因此，低噪声放大器作为接收机系统中的关键部件，一直是无线通信系统中的研究热点[1～9]，其性能指标直接关系到接收机系统的灵敏度，在一定程度上影响到通信系统的通信距离、通信容量，设计性能优良的LNA（低噪声放大器）有着非常重要的意义。

本文拟设计用于WLAN系统的2.4 GHz频段低噪声放大器，具有极低的噪声系数和较高的增益，能提高接收机系统灵敏度，改善通信质量，提高通信距离和通信容量。

2 噪声系数（NF）分析

噪声一般是指在电路中除有用信号以外的一切信号，对电路造成不良影响，严重时可能引起电路的误动作。噪声的产生有很多种原因，比如器件本身的热噪声，布线间的静电感应、磁感应引起的感应噪声等。噪声过大会对有用信号造成严重的干扰，导致接收机无法解调有用信号，噪声虽然很难消除，但可以设法降低噪声的强度。

一般使用信噪比（S/N）来衡量噪声对有用信号的影响程度，一个性能优良的放大电路要保证信噪比（S/N）在可控的范围，但是在一定程度上会影响到增益的高低，因此要在信噪比和增益之间做权衡。放大电路对信噪比（S/N）的恶化程度用噪声因子（F）来表示，噪声因子（F）定义为：放大电路的输入信噪比（Si/Ni）与输出信噪比（So/No）的比值[2～3]可表示为：

式中，T0、Te、G、B、K分别为标准室温、放大电路输入端的等效噪声温度、放大电路的可用功率增益、频带宽度、玻尔兹曼常数。为了方便表示，将噪声因子取对数就得到噪声系数的定义，表示为：

当多级射频放大电路级联在一起时，级联放大电路的可用功率增益分别为G1、G2、G3、…、Gn，噪声因子分别为F1、F2、F3、…、Fn，如图 1所示。

根据噪声因子的定义，该级联放大电路的噪声因子可以表示为[4]：

用对数表示即为噪声系数：

图1 级联放大电路噪声分析图

由此可知，要改善级联放大电路的噪声系数，第一级放大电路的噪声系数（NF）设计得越低越好。一般第一级以最小噪声系数设计，后级采用最大效率或最大功率传输匹配，既保证系统对噪声系数的要求，也提高了系统的增益。

3 电路设计

低噪声放大器的电路在确保系统稳定的前提下，主要进行静态工作点电路与匹配电路的设计。

3.1 静态工作点电路设计

静态工作点是指在电路没有输入信号时电路所处的工作状态。合适的静态工作点能够保证电路不失真，又消耗最小的功率，因此需要设计合适的直流偏置电路，确保晶体管工作在合适的静态工作点。如果静态工作点设置不当，将会导致电路不稳定、甚至烧坏系统的严重后果。

安捷伦公司的ATF54143具有优良的稳定特性和较低的最佳噪声系数点，设计选用ATF54143作为低噪声放大器的晶体管。为了防止电源不稳定或温度变化等原因造成晶体管静态工作点的变动，引入直流负反馈，即在源极串联电阻，尽量减少静态工作点的变动，保证电路的稳定工作。

但是，电阻通常会影响电路的增益，采用在电阻上并联电容的方式，保证高频增益不受影响，避免对高频信号形成反馈，引起振荡。但是，串联电阻会引入热噪声，所以需要采用电感负反馈[4]，电感的感抗会随着频率的上升而上升，能有效抑制高频谐波干扰信号，在一定程度上提高了放大器的线性范围。

在具体设计时，发现集总电感误差太大，占用面积大，调试也不方便。因此采用一种新的微带线代替源极串联电感的方式，减少元件数量，降低成本，并易于调试，其电路图如图2所示。

图2 整体电路设计图

3.2 匹配电路设计

匹配电路的目的是保证电路输入、输出按照一定的阻抗要求进行匹配，以达到最小噪声系数或增益等电性能指标的要求。一般晶体管等效为有源两端口网络，其噪声系数[6]可表示为：

为克服垃圾干燥的“能耗瓶颈”［16］，根据海岛生活垃圾处置调研情况，提出利用烟气余热预处理生活垃圾的处置思路，目标将垃圾含水率控制在10%以下，以此解决海岛垃圾处理难题。

实际设计电路时，理论值只作为参考，使用仿真工具Smith圆图或ADS进行多次联调仿真，确定最终的电路设计方案。

设计中，发现微带线代替集总电感、电容的方式，节省成本、避免了集总元器件误差较大的缺点，减少了电路体积，而且也方便调试。使用仿真工具Smith圆图多次仿真调试，最终确定电路方案如图2所示。

4 ADS仿真分析

ADS（Advanced Design System）作为高频设计的工业领袖，在高频设计领域得到了大量的应用。基于ADS的仿真能使设计更接近实际指标，降低设计成本。

使用ADS仿真LNA的稳定性、驻波比、噪声系数和增益等，如图3、图4、图5、图6所示，在2.4 GHz～2.5 GHz频段内处于绝对稳定，驻波比VSWR≤1.46，噪声系数NF≤0.64，S11≤-15 dB，S22≤-16 dB，增益GAIN≥12 dB。

图3 稳定性系数

图4 驻波比

图5 噪声系数

图6 S（1,1）、S（2,2）与S（2,1）

5 实测结果与讨论

图7 仿真与测试结果的VSWR参数对比

图8 仿真与测试结果的增益对比

图9 仿真与测试结果的噪声系数对比

仿真结果与实际产品测试结果的差别主要有以下几个原因：

第一，材料性质与PCB工艺存在一定的误差；

第二，测试前的校准也存在一定的误差；

第三，焊接技术也会影响测试结果。

在实际产品制作时，应尽量选用介电常数和介质损耗比较稳定的材料。

6 结束语

本文设计了一种高增益低噪声系数的低噪声放大器，采用微带线代替电感负反馈的方式，提出了一种用微带线代替集总电感、电容的匹配方案，节省成本、方便调试、减少电路体积。ADS仿真分析与产品实测结果进行了对比分析，两者结果基本吻合。在保证频段内绝对稳定的情况下，提高了低噪声放大器的增益，改良了低噪声放大器的噪声系数，用于WLAN等通信系统，可以提高通信系统的传输距离、提高系统容量等。

[1] 张玉兴. 射频模拟电路[M]. 北京：电子工业出版社,2002. 121-134.

[2] 刘轶，严伟. 射频电路设计原理[M]. 北京：清华大学出版社, 2014. 122-123.

[3] 陈振国. 微波技术基础与应用[M]. 北京：北京邮电大学出版社, 2002. 259-260.

[4] Behzad Razave. RF Microelectronics [M]. 北京：清华大学出版社，2003. 39-44.

[5] Dale D Henkes. LNA Design Uses Series Feedback to Achieve Simultaneous Low Input VSWR and Low Noise[J] . Applied Microwave & Wireless, 1998∶ 26-32.

[6] Debendra K Misra. Radio-Frequency and Microwave Communication Circuits∶ Analysis and Design [M]. New York∶ Wiley, 2004.

[7] F M Rotella, G Ma Z Yu, R W Dutton. Modeling, Analysis,and Design of RF LDMOS Devices Using Harmonic-Balance Device Simulation [J]. IEEE Transactions On MTT, 2000, 48（6）∶ 991-999.

[8] 张玉兴. 射频模拟电路[M]. 北京：电子工业出版社,2002. 121-134.

[9] W O Henry. Electronic system noise suppression technology[M]. The people’s Railway Publishing House, 1997. 209-239.