无线传输系统中低噪声放大器的设计

余宁+马令坤

摘 要：文章介绍了一种增益为30 dB的低噪声无线传输系统低噪声放大器设计方法。根据设计指标，应用安捷伦ADS仿真软件对低噪声放大器的参数进行仿真分析，然后进行放大器输入输出阻抗匹配，在优化放大器的增益和噪声系数后，完成电路设计，同时文章还给出PCB板的设计结果。测试表明，该法设计的低噪声放大器完全达到设计指标。

关键词：低噪声放大器；噪声系数；增益；稳定性

1 无线传输

近年来，系统在各行业的应用越来越广，为了适应这一市场需求，需要优化低噪声放大器的设计方法，降低产品调试成本。传统的低噪声放大器输入输出匹配电路需要反复迭代、灵活性不高、后期电路调试复杂，产品一致性差。本文通过研究低噪声放大器的设计理论，提出了一个简单易行的低噪声放大器设计方案，通过该方案可以最大限度地降低放大器的噪声系数，提高放大器的稳定性，并且可以方便地在放大器增益、噪声数和穩定性之间进行折中设计，设计的电路后期调试简单、产品一致性高，与其他射频部件级联时不需要隔离器。完全能满足无线传输系统的技术要求和批量生产。利用该设计方法设计的放大器已经成功进行批量生产。

2 低噪声放大器的设计

本文设计的低噪声放大器主要由输入匹配网络、晶体管放大器、输出匹配网络、偏置电路构成。

2.1 放大器的主要技术指标

（1）工作频率：300～400 MHz；（2）增益：≥30 dB；（3）噪声系数：≤1.2 dB；（4）端口驻波：≤1.5；（5）供电电压：+5 VDC±0.5 V；（6）电流：≤ 80 mA。

2.2 放大器设计方案分析

由于设计指标要求的放大器增益要大于30 dB，所以设计中采用两级放大晶体管进行设计，每级放大器单独进行输入输出阻抗匹配，然后进行两级放大器级联。设计中选择安华高的低噪声放大器晶体管MGA-53543，该晶体管在300～400 MHz频段内高达19 dB的增益和1dB的噪声系数足以满足本文中要设计的低噪放的指标要求。

2.2.1 MGA-53543的S参数和噪声系数分析

根据MGA-53543的数据手册采用内插法可以得到MGA-53543在350 MHz时的S参数：

S11=0.327∠-123，S21=9.471∠141.3，

S12=0.079 5∠13.3，S22=0.206∠-128.3

由上面的S参数可以得到Δ=S11S22-S12S21=0.729 1∠-21.6

采用外推法可以得到MGA-53543在350 MHz时：

NFmin（dB）=1.06，Γopt=0.108∠156.5，Rn=0.1

2.2.2 放大器稳定性分析

根据器件S参数可以得到MGA-53543在350 MHz时的稳定系数：

所以MGA-53543在350 MHz时是不稳定的，需要对输入、输出稳定圆进行判定。

（1）作输入稳定圆。

圆心：

半径：

（2）作输出稳定圆。

圆心：

半径：

（3）作器件在350MHz的噪声系数圆。

圆心：

其中：

半径：

当噪声系数NF分别取：1.07 dB，1.2 dB，1.3 dB，1.4 dB，1.5 dB时，参数结果如表1所示。

如图1所示，通过在Γ平面作输入稳定圆、输出稳定圆、1.2 dB，1.3 dB，1.4 dB，1.5 dB等噪声系数圆、19 dB等增益圆发现在绝大部分情况下MGA-53543可以稳定工作，完全可以满足设计要求。

为了获得最低噪声系数，令

则有：

为了使则要求

，

此时，输入驻波比

输出驻波比 ，资用功率增益：

3.2.3 放大器匹配电路和PCB版图设计

（1）输入、输出阻抗变换电路的设计。输入匹配网络的设计就是把ΓS所对应的归一化阻抗变换到1，输出匹配网络的设计就是把ΓL所对应的归一化阻抗变换到1。

（2）具体设计的输入、输出阻抗变换电路如图2所示。

3.3 测试结果

对本文设计的两级级联低噪声放大器电装以后，用噪声仪和网络分析仪进行指标测试。

4 结语

本文分析了用安华高公司的MGA-53543设计低噪声放大器的详细过程，在设计过程中通过使用ADS软件对器件的圆图进行仿真分析，找出器件噪声系数、增益和稳定性之间的最佳设计参数，然后根据该参数通过ADS软件进行输入输出匹配电路设计，使用该方法可以一次性完成输入输出匹配电路设计，解决了传统设计方法反复迭代的问题。该方法简单易行，完全适合低噪声放大器的工程化设计。最终的测试结果表明该低噪声放大器的性能指标完全满足最初的设计要求。