2.4GHz低噪声放大器的设计

杨虹++袁喆

摘要：本文用分别用AT-41511 NPN型晶体管和ATF54143 PHEMT晶体管设计了一款低噪声放大器（LNA）。在AT-41511 NPN型晶体管LNA仿真优化后，稳定系数大于1，噪声系数为2.011，增益大于10 dB，S12 <-15，S11，S22<-10，故电路具有良好的传输性能，采用ATF54143的PHEMT晶体管LNA仿真所得的噪声系数为0.738。

关键词：晶体管 低噪声放大器 传输性能 噪声系数

中图分类号：TN722.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0183-03

在图1中，BPF1为带通滤波器，BPF2为处理信号模块。进入接收系统的信号有两种，一种是有用信号，一种是外部带来的噪声和电路自身存在的噪声。因此，需要对这些微弱信号进行滤波后再放大；由于微波信号，很容易被噪声所掩盖干扰，这就要求放大器本身噪声性能足够好，故低噪声放大器就应需求而被广泛研究和使用。低噪放（LNA）处于接收机前端信号处理的第一级，具有放大信号和降低噪声，也能很大程度上提高通信系统的灵敏度，对整个通讯系统的性能有非常重要的作用[1]。接收系统对于低噪声放大器（LNA）基本要求[2]是：噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好和较大的动态范围。如果电路中的低噪声放大器噪声系数比较低，则整个接收机系统的噪声系数也会比较小，信噪比就比较优良，灵敏度得到提高[3]。因此研究低噪声放大器（LNA）就很有必要。

低噪声放大器（LNA）是广泛应用于通信、雷达、电子对抗及遥控遥测系统接收设备的关键部件，在接收机系统中处于前端，主要作用是放大接收到的微弱信号，降低噪声干扰。因此，低噪声放大器的设计成了诸多接收系统设计的关键。

1 电路设计

低噪声放大器（LNA）的电路结构包括晶体管、直流偏置、输入输出匹配三大部分，应此，LNA的设计与一般的线性放大器的设计大致一样，可以按照这几个部分依次进行。但是，与一般的线性放大器相比，低噪声放大器在需要实现目的和设计方法都有所不同。实现目的不同表现在，一般的线性放大器主要为了实现高增益的性能，每级均采用功率匹配，而低噪声放大器为了实现低噪的性能，输入端一般采用最佳噪声匹配，输出端采用功率匹配，最后找出一个平衡点实现较小的噪声系数和较大的功率增益。LNA的一般设计步骤如下：

（1）选择满足设计要求的晶体管的型号（NPN或PHEMT）。LNA要求管子的噪声系数越低越好，而增益越高越好，但是二者是相互矛盾的，需要对它们作一平衡。

（2）确定所选择晶体管的稳定性。对绝对稳定的晶体管器件，可以直接進行后续电路的设计。对于不是绝对稳定的晶体管器件，可以用两种方法来解决放大器电路的稳定性问题，一是可以先在反射平面作出不稳定区域，在频率范围允许的条件下，选择避开潜在不稳定频率区域来设计所需要的放大器。另一种方法是，若设计的放大器频率范围不能避开潜在不稳定频率区域，则利用其他方法（如添加负反馈）来提高放大器电路的稳定性，使放大器在整个工作频率范围内保持绝对稳定。

（3）利用射频放大器设计软件，对放大器晶体管设置偏置电路以实现放大电路的直流供电，在此基础上，进行放大器输入输出匹配网络设计的设计以实现低噪声高增益的放大器性能指标，最后用ADS射频仿真软件模拟并仿真低噪声放大器的各项性能指标，仿真结束后需要检验LNA的稳定性，若不稳定需要重复步骤（2），若稳定，则检查放大器其他各项重要性能指标，并经行下一步优化仿真设计。

2 电路原理图及仿真优化结果

AT-41511是Agilent公司一款NPN型三极管，主要工作频段800MHz到2.6GHz.AT-41511 LNA原理图如图2所示。

由图3可知工作频率为2.4GHz下电路优化前各项指标：增益S（2，1）=8.446，反向隔离度S（1，2）=-17.564，输入反射系数S（1，1）=-32.551，输出反射系数S（2，2）=-4.556.

由图4可知工作频率为2.4GHz下电路优化后的各项指标：增益S（2，1）=10.039，反向隔离度S（1，2）=-15.970，输入反射系数S（1，1）=-16.225，输出反射系数S（2，2）=-12.750.

由图5可知电路在2.4GHz频率下是绝对稳定的，满足设计要求。

由图6可知电路噪声系数还有待提高，结合LNA可以工作在液氮温区、噪声系数指标要求高的特点，由于BJT管（双极性晶体三极管）和FET管（场效应管）很难达到这样的要求，所以最好选用HEMT（高电子迁移率晶体管）器件来设计。HEMT管相比于FET，具有高增益、低噪声和高功率容量等优点。

常规HEMT器件的微波及高速性能都很优越，但域值电压会随着温度的变化改变，尤其是在低于77K温度时，沟道电流会突然消失。新型的PHEMT器件弥补了常规HEMT器件的这种不足，使得器件相比于常规的HEMT器件，具有更大的电流密度、更高的增益和更高的工作频率上限。

结合上述原因，本文选用Avago公司的PHEMT晶体管ATF54143来设计低温LNA。ATF54143具有噪声系数小、增益较高、动态范围大、温漂小等优点，该晶体管在低温下仍能保持一些常温下的特性，例如S参数基本不会变化并且在低温下晶体管也不会出现自激的情况。由于ATF54143的这些优点，本文采用常温设计法设计该低温LNA。先对ATF54143晶体管直流分析确定直流工作点，接着根据直流工作点位晶体管设计偏置电路，然后对电路的稳定性经行分析并采用源级负反馈实现LNA在整个工作频段上绝对稳定，然后进行输入输出匹配电路的设计和实现，得到的LNA的整体电路结构，最后对整体电路优化仿真。优化仿真结果。整体结构原理图如图7所示。

由图8可知LNA电路噪声系数为0.738，相比于AT-41511 LNA电路，ATF54143 LNA电路在2.4GHz频率下可以得到相对比较理想的噪声性能。

3 结语

本文使用Agilent公司ADS软件设计的AT-41511 LNA，在工作频率为2.4GHz下实现噪声系数2.011，稳定系数大于1，输入输出反射系数小于-10，S12<-15，增益约为10dB，采用ADS软件设计的ATF54143 LNA在工作频率为2.4GHz下噪声系数为0.738。由以上可以看出，运用Aglient公司ADS软件设计的LNA在2.4GHz下无条件稳定，具有较好的反向隔离度，传输性能良好，采用ATF54143设计LNA可以能得到比较理想的噪声性能。

参考文献

[1]陈艳华，李朝晖，夏玮.ADS应用详解—射频电路设计与仿真[M].北京：人民邮电出版社.2008：321-341.

[2]Thomas H.Lee著，余志平，周润德.CMOS射频基础电路设计[M]，北京：电子工业出版社，2012：70-82.

[3]吕杰，刘林海，曹纯，李哲.一种1～3GHz宽带低噪声放大器的设计[J].无线电工程，2015，45（5）：57-60.