一种超宽带低噪声放大器的仿真设计*

吴治霖

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

宽带低噪声放大器（LNA）已广泛应用于宽带微波通信、北斗接收机、雷达探测、电子对抗及各种微波射频信号测试系统中，主要作用是将天线感知的微弱无线电信号放大，减小放大器引入的噪声。

接收机系统的灵敏度[1]可表示为：

其中，B为选频带宽，NF为噪声系数，SNR为信噪比。从式（1）可看出，同一环境下的接收机，其灵敏度主要由带宽和噪声系数决定。

本文将利用Microwave office工作，仿真设计一款宽带低噪声放大器，指标如下：

频率范围：0.2～2 GHz；

增益：≥30 dB；

平坦度：±1 dB；

噪声系数：≤1.5 dB;

驻波系数：≤2。

1 方案设计与分析

通过查阅资料，放大器要实现不低于30 dB增益的放大器，至少需要两级放大，基本模型如图1所示。

图1 放大器结构

级联增益为：

级联噪声系数[2]为：

式（2）、式（3）中，分别为第一级放大器的增益和噪声系数；为第二级放大器的增益和噪声系数；根据整体噪声系数的计算公式，第一级放大器的噪声系数和增益对整个低噪声放大器的噪声系数具有至关重要的作用。

本文设计中，频率覆盖0.2～2 GHz，约为3倍频程，需要考虑放大器在频率范围内的增益平坦度。但是，晶体管随着工作频率的增加，增益会按照6 dB/倍频程的速度滚降[3]。只有通过选择应用匹配或者失配，使增益在频率1f到2f之间平坦，以满足频率范围内增益平坦度和噪声一致性的要求，如图2所示。

图2 增益与频率的关系

本文设计中，选取ATF-55143、Gali-55分别作为第一级、第二级放大器；通过查阅Gali-55的器件资料，其噪声系数和增益的最小值分别为3.2 dB和16 dB。因此，据式（2）和式（3），第一级放大器的增益和噪声系数的需满足如下指标：1NF≤1.5 dB，1G≥15 dB。而ATF-55143在频率范围内具有大于15 dB的典型增益值，因此在仿真中着重考虑第一级低噪声放大器的噪声系数。

1.1 电压电流偏置设计

晶体管偏置电路是放大器工作的基础，对于偏置电路的设计应充分考虑噪声、对自激的抑制、电源供电和阻抗匹配等因素。合理的直流工作点与匹配设计是充分发挥微波晶体管微波性能的两个重要因素。静态工作点的选择，需依据所设计的放大器要达到的主要技术指标[4]。

图3中，A点适用于低噪声、高增益的放大器设计，B点一般用于高功率的放大器设计，C点常见于高输出功率、高效率的放大器设计；D点的静态工作点电流小，常见于低噪声、低功率的设计应用。本文即偏置于D点。

图3 静态工作点

ATF-55143的偏置电路图如图4所示。

图4 偏置电路

利用ADS的静态电流扫描工具，将ATF-55143偏置于Vds=2.7 V、Vgs=-0.4 V、Ids=11 mA，以期取得增益与噪声系数的平衡。

根据芯片资料介绍，Gali-55+在带内具有高增益和高平坦度，芯片可偏置于Vcc=5 V，工作电流为50 mA，电路如图5所示。

图5 末级放大器偏置电路

1.2 平坦度设计

为降低晶体管增益随频率增加滚降的特性，设计中将采取相应补偿。常见的设计有分布式、平衡式、失配补偿和负反馈四种[5]。为利用有效空间，减小电路尺寸，本文采用负反馈电路设计，实现晶体管工作频率的扩展，以提高增益的平坦度。基本电路模型如图6所示。

图6 负反馈电路模型

负反馈电路的基本原理是用RLC电路将栅极和漏极连接，输入、输出阻抗迅速接近50 Ω，改善了放大器的稳定度[5]。由于Rf的影响，放大器的带宽得到有效扩展，增益的平坦度有较大提高。

根据反馈电阻计算公式，设定反馈初始值为Rf=430 Ω，根据2πf×Lf=Rf，计算Lf的初值为3.3 nH。建立第一级放大器的负反馈环路，如图7所示。

图7 反馈网络初始值

1.3 稳定性分析

稳定性是放大器性能指标得以实现的前提。只有在保证稳定工作的条件下，性能指标才有好坏的意义。通常情况下，电路的不稳定表现为放大器的自激，噪声显著增加，甚至烧毁器件。因此，在设计放大器时，需充分考虑偏置条件下器件的稳定性。

判断条件[6-7]为：

其中K为稳定性因子，S11为输入端口的反射，为输出端口反射为输入输出端口间的隔离，为器件增益。当 K ＞ 1 时，该低噪声放大器绝对稳定。

器件在偏置条件下的稳定性仿真，如图8所示。

图8 器件稳定性

由图8可见，该器件在频带范围内处于潜在不稳定状态。设计中，一方面采取负反馈电路电路结构，另一方面将ATF-55143接地管脚通过接地孔产生电感效应，降低放大的增益，提高工作的稳定性。

经仿真优化反馈回路中11S 的值及SL的长、宽及过孔的直径，稳定性改善结果如图9所示。

图9 采取措施后器件稳定性

通过对比图8、图9，采用负反馈等措施后，器件的稳定性显著提高，RLC及SL参数将在放大器的仿真中进一步优化，实现了增益、噪声系数及稳定性的平衡。

1.4 第一级放大器仿真与结果

ATF-55143具有频率低端增益高、高端增益低的特点。为减轻增益滚降对平坦度的影响，选择频率高端进行匹配。第一级放大器的仿真电路，如图10所示。

图10 第一级放大器的电路

经优化，输入、输出端口的驻波系数仿真结果如图11所示。

图11 第一级放大器的端口驻波系数

图11中虚线为输出端口的驻波系数，实线为输入端口的驻波系数。在设计的工作频率范围内，驻波系数小于1.8，实现了较为良好的匹配。

图12中，粗虚线代表未采用负反馈结构的增益曲线，细虚线代表采用负反馈结构的增益曲线。可见，采用负反馈电路后，实现了在0.1～3 GHz范围内小于±0.5 dB的增益平坦度，为整个放大器的增益平坦度实现提供了可靠保证。

图12 第一级放大器的增益

图13反映了采用负反馈电路前后噪声系数的变化。其中，粗虚线代表未采用负反馈结构的噪声系数变化曲线，细虚线代表采用负反馈结构的噪声系数变化曲边。采用负反馈电路后，噪声系数在频率低端显著增加，但仍小于设计的数值。

据图11、图12、图13的仿真结果来看，第一级放大器实现了既定的增益和噪声系数目标，为整个低噪声放大器的设计目标实现提供了基础。

图13 第一级放大器的噪声系数

2 整体仿真与结果

整体仿真中，将主要建立增益、噪声系数及端口反射系数的平衡。末级放大器主要为放大器整体提供足够的增益，然后结合Mini-circuits提供的S2P文件，实现电路仿真。

由于放大器的工作频率范围较宽且频率较高，电感、电阻和电容等器件的寄生参数，将造成放大器的仿真结果与实际结果有很大差异。为此，在仿真中主要采取以下措施：

（1）选取高Q的集中参数元器件，如coilcraft、ATC等；

（2）仿真中加入器件的寄生量；

（3）选取低介电常数的PCB基板如Rogers4350系列，并在基板表面喷金，以更好地接地。

经多次优化负反馈回路、增加电路中阻容器件的寄生参数，最终的仿真结果如图14所示。

依据图14的仿真结果，在0.2～2 GHz范围内，噪声系数低于1.1 dB，增益大于30 dB，平坦度小于±1 dB，输入端口驻波系数小于2。

（a）噪声系数仿真结果

图14 放大器仿真结果

3 结 语

从仿真结果来看，本次设计达到了预期效果。下一步将根据仿真结果开展产品实现工作，并尽可能将工作频率扩展的更宽，且保持较低的噪声系数、较高的增益和平坦度。

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