一种低噪声放大器模块的设计*

颜克文　俞森吉　刘　亮

(广州海格通信集团股份有限公司　广州　510663)



一种低噪声放大器模块的设计*

颜克文俞森吉刘亮

(广州海格通信集团股份有限公司广州510663)

低噪声放大器是接收机系统中极其重要的一部分，论文设计的低噪声放大器模块采用多级级联的甲类放大器形式，输入和输出端采用传输线变压器进行阻抗匹配，设计的放大器模块具有低噪声系数的同时也具有良好的反射系数和互调，具有重要的参考意义。

低噪声;放大器模块;噪声系数;互调

Class NumberTN72

1　引言

低噪声放大器的主要作用是把从天线接收到的微弱信号进行放大，尽可能地减少系统噪声，使系统能解调出所需要的数据，系统的接收灵敏度对于通信系统来说是一个非常重要的指标[1～2]，其计算公式表示为：

Smin=-114(dBm/Hz)+NF+10LogBW(MHz)+S/N(dB)

从上式可以看出，当系统带宽BW和信噪比S/N确定之后，噪声系数NF对系统的灵敏度起决定性作用，参考多级级联放大器的噪声系数公式：

NF=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/G1G2+……

从上面噪声系数的级联公式可以看出，对接收机系统影响最大的是第一级放大器的噪声系数，后面的放大器对系统的灵敏度相对不敏感。因此如何降低前级的低噪声放大器的噪声系数是提高接收灵敏度的主要目标，低噪声放大器电路的技术指标包括：频率范围、增益、噪声系数、端口反射系数、三阶互调[3～4]等。

2　低噪声放大器模块设计

低噪声放大模块电路由输入变压器、输出变压器及两部分相同的晶体管电路组成，电路简单，线性度高，可通过调整输入输出变压器匝数比来改变正向功率增益[5～7]，因此整机中要求不同增益的放大器可以采用相同的电路结构，其原理框图如图1所示。

图1　低噪声放大模块电路原理框图

输入变压器Tin由漆包线与双孔磁环构成，它将输入的非平衡信号转化为两路平衡信号分别送到输出变压器Tout的两个输入绕组，信号随后被送到两部分相同的晶体管电路。两部分相同的晶体管电路均由数个相同的单元电路并行连接而成。单元电路由一个NPN晶体三极管(如图中的Q1：BFP196W)及外围器件(电阻、电容)组成，晶体三极管Q1按照共基极的基本组态连接电路，+1.9V的直流电压通过电阻Rb1、Re1为其基射极提供直流偏置，信号由晶体三极管的发射极输入，由集电极输出，基极与发射极之间的晶体二极管V1起保护作用，避免晶体三极管在大信号输入时基射极被反向击穿。该单元电路的输出信号与其它单元电路(如晶体三极管Q3组成的单元电路)的输出信号合并输出至变压器Tout的输出绕组。+12V的直流电压通过输出变压器Tout为晶体三极管的集电极提供直流偏置。电路的信号输出端口Pout是输出变压器Tout的一个抽头，它与Tout的其它两个输出绕组构成自耦线圈。本放大电路采用变压器耦合共基A类放大结构，其增益主要由变压器变比决定，且与输入/输出阻抗关联度较低，易于调整[8～10]。

3　低噪声放大器模块的仿真和测试

根据上述设计思想，通过仿真软件对该电路的性能进行了仿真，与试验测量结果相比较，以验证设计思想的可行性。每一部分晶体管电路由8个单元电路组成，单元电路中，Rb1=3.9 Ohm,Re1=51 Ohm,Cb1=Ce1=1.0 uF，输入/输出变压器的配置与增益要求有关。该模块工作电压12V，设置工作电流为350mA。

图2　S参数仿真结果

在增益要求为3.6dB的低噪声放大电路中，Tin的匝数比为4∶1∶1，Tout的匝数比为2∶2∶3∶3∶5，采用自耦形式，图2、图3是其散射参数(S参数)仿真结果与实测结果。在频率10MHz处，仿真所得的数据为：增益S21=3.88dB，输入反射系数S11=-41.54dB，输出反射系数S22=-33.6dB，反向隔离度S12=-4.02dB；实测所得的数据为：增益S21=3.63dB，输入反射系数S11=-32.47dB，输出反射系数S22=-27.45dB，反向隔离度S12=-4.29dB。对比仿真结果与实测结果可见，二者基本一致。

电路互调分量的仿真结果如图4所示。输入的基波分别为F1=7.0MHz，F2=11.9MHz，功率为10dBm，由图中输出端口的频谱图可知，基波分量的输出为13.88dBm，三阶互调分量与基波输出的差值为100.8dB，三阶互调截点输出功率为13.88dBm+100.8/2dB=64.28dBm。表1是对低噪声放大模块进行实验测量得到的数据，输入信号功率9dBm，输出信号功率12.8dBm，由表中数据可见，OIP3指标与仿真基本相同。在电路调试中，若输入输出使用传输线变压器或输入隔离变压器，则在低频段(5MHz以下)，OIP3指标偏低，在高频段(5MHz以上)，OIP3指标接近仿真值，试验证明，此现象与变压器所使用的磁芯材料有关；若采用自耦式变压器，可以改善低频段的OIP3指标，如表1中数据所示。

图3　S参数实测结果

图4　互调分量仿真结果

基波RF1频率/MHz基波RF2频率/MHz互调/dBOIP3/dBm33.99459.8711.991.158.351221.99258.81629.99258.8

低噪声是本模块的设计指标，噪声系数与输入阻抗关系较大，但设计时要兼顾稳定性、输入输出驻波、大信号阻塞等指标，与偏置电流也有关系，一般来讲电流越大，则互调指标越好，但噪声系数会越差。

用Agilent公司N8973A噪声分析仪对本电路进行了测试，结果见图5所示，可以看出在10MHz处，NF=1.267dB，在高端30MHz处稍差，NF=1.449dB。

图5　噪声系数NF实测结果

4　结语

本人阐述了低噪声放大器在接收机系统中的重要性，介绍了低噪声放大器电路的主要技术指标，并设计一款低噪声放大器模块，低噪声放大器模块在2MHz～30MHz的频率范围内，增益大于3.5dB，并且可以根据实际需要进行调整，端口反射系数小于-20dB，噪声系数小于1.5dB，三阶互调大于90dB，设计思想具有重要指导和参考意义。

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Design of A Low Noise Amplifier Module

YAN KewenYU SenjiLIU Liang

(Guangzhou Haige Communications Industry Group Co.,Ltd,Guangzhou510663)

Low noise amplifier is an extremely important part of the receiver system,multiple cascaded amplifier form is put to use in this paper,input and output carries out impedance matching by using transmission line transformer,the designed amplifier module has low noise coefficient and also has excellent reflection coefficient and intermodulation,this paper has the important

ignificance.

low noise,amplifier module,noise figure,intermodulation

2016年3月8日,

2016年4月29日

颜克文,男,硕士研究生,工程师,研究方向：射频通信电路设计。俞森吉,男,硕士研究生,工程师,研究方向：射频通信电路设计。刘亮,男,硕士研究生,工程师,研究方向：数字硬件设计。

TN72DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.036