低噪声放大器的仿真设计 通信技术, 放大器, 接收机, 灵敏度, 无线

Bazinga

1  引言随着通信技术的飞速发展，人们对各种无线通信工具的要求也越来越高，这就要求对系统的接收灵敏度提出更高的要求，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是低噪声放大器（LNA）。低噪声放大器在任何微波接收系统中都处于前端位置，这是因为微波系统的噪声系数基本上取决于前级放大器的噪声系数，所以LNA是接收机系统中相当重要的一个部件。LNA的主要作用是放大天线从空中接收的微弱信号，降低噪声干扰，为使接收信号能被后级电路有效的接收和处理，LNA应具有一定的增益，但是过高的增益会导致信号非线性失真和噪声的提高，因此增益不能太高。一般来说，LNA的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机的动态范围等结合起来考虑。本文研究设计的LNA的主要技术指标为：回波损耗小于-15dB，放大器的增益约为13dB，输入输出VSWR不大于1.5，并且噪声系数小于1.6，放大器工作在稳定状态。

2  输入输出匹配电路的设计2.1  输入匹配电路的设计在设计LNA的匹配电路的时候，输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计，为接近最佳噪声匹配网络而不是最佳功率匹配网络，而输出匹配网络一般是为获得最大功率和低VSWR而设计。所以在设计LNA的时候，可以通过等噪声圆和等增益圆来综合设计，而本文主要是利用Agilent ADS软件设计LNA，这样大大的简化了设计的复杂性。

这里采用ADS中的DA_SSMatch匹配来设计输入匹配电路，由于这种匹配方法要用到放大器的输入阻抗，因此有必要先通过仿真得出三极管的输入阻抗，然后再设计输入匹配电路。

由仿真得输入阻抗为18.892+j×6.813，然后以此来设计输入匹配电路并仿真，图1的仿真结果可以看到，匹配良好且VSWR为-32dB，符合输入匹配的设计指标要求。

2.2  输出匹配电路的设计输出匹配电路采用串并联电感电容的方法来设计，这里采用ADS软件的调谐功能来设计输出匹配电路。图2为经过多次调谐所得到的较好的输出匹配电路。

由图2的仿真结果可以看出，输出电路已经实现了很好的匹配且符合指标的要求。但是由于输出匹配电路的引入，必然会对输入匹配电路产生影响并使其失配，由于直流偏置的引入也必然会对输入输出匹配电路造成影响，所以这里先不考虑输出匹配电路对输入匹配电路产生的影响，而是先设计好直流偏置网络，然后综合各部分来优化电路。

图1  输入匹配电路和仿真

3  直流偏置网络的设计所有射频/微波电路不可缺少的电路单元就是无源或有源偏置网络。偏置的作用是在特定的工作条件下为有源器件提供静态工作点，并抑制晶体管参数的离散特性以及温度变化的影响，从而保持恒定的工作特性。放大器的偏置条件根据实际的工作背景而定。
工作状态的划分是根据导通角来定的。甲类工作状态下整个信号周期内都有集电极电流存在，导通角，如果晶体管线性区内的传递特性近似于线性函数，则输出信号时没有失真的、放大了输入信号，但效率最低，最大理论值为50%。乙类工作状态下只有半个周期内有集电极电流，导通角为；甲乙类的导通角为。这两种工作状态一般用于功放而不是低噪放中。丙类导通角，输出信号失真最大，但效率却是最高的。通过直流偏置仿真得到，直流偏置点=2.7V和=5mA可以得=38kohm，=469ohm。

图2  输出匹配电路和仿真

4  LNA的实现和仿真将前面设计的输入输出匹配电路和直流偏置网络综合考虑，并加入隔离直流和交流的DCBlock和DCFeed器件防止相互影响，这样就完成了LNA整体电路的大体设计。但是由于输出匹配电路对输入匹配电路会产生影响，并且直流偏置网络也会对输入输出匹配电路产生影响，导致电路的输入输出会失配并使电路S参数恶化。因此，在综合各部分的情况下，有必要对电路进行优化设计，使电路的整体实现较好的效果，图3是通过多次匹配优化设计出来的符合指标要求的LNA电路和仿真结果。

由图3可以看出，在2GHz时输入端和输出端的反射系数均小于-20dB，且放大器的增益约为14dB，反射系数也很小，这些都符合并且优于指标要求，并且该LNA的输入输出VSWR均小于1.5（这里没有给出输出VSWR的图），噪声系数也在1.4到1.6之间，最后再来看LNA的稳定性，由图3的仿真结果可以看到2GHz时放大器的稳定系数大于1，即放大器能稳定的工作，由此我们可以说该LNA电路的设计符合各项指标的要求。

图3  LNA电路实现与仿真

5  结论 本文讨论了一个2GHz的LNA的设计，并利用ADS软件验证了设计流程的正确性。LNA在接收机中是一个非常重要的器件，我们在设计中要综合考虑各方面的因素来综合设计。我们相信，只要掌握放大器设计的理论知识和调试经验，并利用现代微波电路的设计软件可以大大缩短研制周期。