低噪聲放大器（LNA）是現(xiàn)代雷達(dá)、射頻通信、測試儀器、電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要部分。在接收系統(tǒng)中，它總是處于前端的位置，其主要作用是放大天線接收到的微弱信號，并以足夠高的增益克服后續(xù)各級（如混頻器）的噪聲，制約著整個接收系統(tǒng)的性能。隨著通信、雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對微波LNA的要求越來越高，因此研制合適的寬頻帶、高增益、更低噪聲系數(shù)的放大器，已經(jīng)成為微波系統(tǒng)設(shè)計中的核心技術(shù)之一[1]。

1 低噪聲放大器的設(shè)計理論
    LNA的性能指標(biāo)主要是噪聲系數(shù)、增益、工作頻率、電壓駐波比和帶內(nèi)平坦度等，其中噪聲系數(shù)和增益對整機(jī)性能影響較大。要實現(xiàn)最小噪聲系數(shù)傳輸，必須使負(fù)載阻抗與源阻抗相匹配，這就需要插入匹配網(wǎng)絡(luò)。放大管存在最佳源阻抗Zopt，LNA的輸入端應(yīng)按Zopt進(jìn)行匹配，此時放大器的噪聲系數(shù)最小。為了獲得較高的功率增益和較好的輸出駐波比，輸出端采用共軛匹配方式。如果增益不夠，則需要采用多級放大器。
    
式中，Nf為放大器整機(jī)噪聲系數(shù)，Nfn和Gn分別是第n級放大器的噪聲系數(shù)和功率增益。由式(1)可知，在多級網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)時，放大器的噪聲系數(shù)主要由第一級決定。因此，要獲得好的噪聲性能，必須按最佳噪聲匹配設(shè)計輸入匹配電路。
    低噪聲放大器要有一定的增益，其大小要適中。太大會使后面的混頻器由于輸入太大而產(chǎn)生非線性失真；而為了抑制后面各級對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響，增益又不能太小[3]。
    需要特別注意的是，微波放大器由于器件內(nèi)部S12的作用會產(chǎn)生內(nèi)部反饋，可能使放大器工作不穩(wěn)定而導(dǎo)致放大器的自激，因此在做端口匹配前，先要判斷放大器的穩(wěn)定性。判斷放大器絕對穩(wěn)定的條件[4]為：

    結(jié)合表1數(shù)據(jù)和式(2)可知，F(xiàn)HX13是絕對穩(wěn)定的，而FHX35存在潛在不穩(wěn)定性，因此需要注意后兩級匹配電路的設(shè)計。
2.4 匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計
    為了同時滿足增益和噪聲這兩大主要指標(biāo)，本文采用雙向設(shè)計法，利用等資用功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓相結(jié)合的方法來實現(xiàn)既能滿足噪聲系數(shù)要求，又能滿足增益要求的低噪聲放大器[5]。
    首先在ADS中畫出等資用功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓[6]，取頻率點為10.5 GHz，經(jīng)過仿真后的結(jié)果如圖1所示。其中，細(xì)線是等增益圓，m1點是最大增益點；粗線是等噪聲系數(shù)圓，m2點是最小噪聲系數(shù)點。為了兼顧噪聲系數(shù)和增益，選用m3點作為匹配設(shè)計點，圖中顯示了該點處呈現(xiàn)在放大器輸入端的源反射系數(shù)ГS為0.692/139.959，利用Smith圓圖對輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配設(shè)計。

2.5 直流偏置電路的設(shè)計
    偏置電路至關(guān)重要，合理的偏置能讓放大器工作在最佳狀態(tài)下。由于單電源自給偏壓偏置缺乏靈活性，且源極不能直接到地，影響增益和噪聲系數(shù)，還容易產(chǎn)生自激，所以本文采用雙電源設(shè)計直流偏置電路，如圖3所示。

    為了使直流偏置電路與射頻電路之間互不影響，在電源與晶體管之間加入了中心頻率的四分之一波長微帶線；為了實現(xiàn)更寬頻率范圍的良好濾波特性，采用了扇形開路塊作為偏置濾波電路；為了減小直流偏置電路所引入的噪聲，還在電源處添加了電容去耦。
    此外，本設(shè)計的直流偏置電路的最大特點是采用了直流偏置反饋控制技術(shù)，可以避免因溫度等因素的變化而對電路性能造成影響，提高了該電路的穩(wěn)定性。如圖3所示，當(dāng)溫度變化導(dǎo)致Ids增大時，由于三極管發(fā)射極的電流很小，可忽略不計，從而導(dǎo)致電阻R4上分壓增大，發(fā)射極電壓變小，基極與發(fā)射極之間的電壓變小，進(jìn)而使得集電極電流變小，Vgs變小。根據(jù)微波放大管的特性曲線，當(dāng)Vgs變小時會引起Ids變小，因而可以維持之前的靜態(tài)工作點，保持電路的穩(wěn)定工作。
3 測試結(jié)果及分析
    根據(jù)仿真結(jié)果得到的尺寸和結(jié)構(gòu)，采用介電常數(shù)較為穩(wěn)定的Rogers的RO4350B（介電常數(shù)為3.66，厚度為0.508 mm，銅箔厚度為0.035 mm，損耗角為0.003）作為微帶電路的材料基片。
    對實體電路進(jìn)行測試時，需要加上放大器的蓋板并涂上吸波材料，以降低腔體效應(yīng)的影響。使用Agilent公司的E8363A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試增益和輸入回波損耗，測試結(jié)果如圖4所示。圖4顯示，在頻率為10.5 GHz時的增益為34.54 dB，輸入回波損耗優(yōu)于-10 dB，并且在10.2 GHz～10.8 GHz的頻帶內(nèi)，增益和輸入回波損耗都達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。
   

其中，ENR使用R&S公司的FSP-40頻譜分析儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關(guān)閉時的時差為12.07 dB。在頻率為10.5 dB時，從ENR頭讀出的NF值為13.71 dB。根據(jù)式(4)得到噪聲系數(shù)為1.92 dB(小于2 dB)，因此滿足設(shè)計的要求。

    圖6顯示了在不同溫度條件下對電路進(jìn)行測試的情況：圖6(a)顯示在溫度為80 ℃時測得的在10.2 GHz～10.8 GHz的頻帶內(nèi)的增益(虛線所示)以及輸入回波損耗(實線所示)；圖6(b)顯示在溫度為120 ℃時測得的在10.2 GHz～10.8 GHz的頻帶內(nèi)的增益(虛線所示)以及輸入回波損耗(實線所示)。經(jīng)過測試，在溫度為80℃時，該LNA的噪聲系數(shù)為1.93；在溫度為120 ℃時，該LNA的噪聲系數(shù)為1.93。通過上述對比發(fā)現(xiàn)，在溫度發(fā)生變化時，所設(shè)計的低噪聲放大器的性能沒有明顯變化，能夠滿足工程設(shè)計的需要。
    本文利用等資用功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓相結(jié)合的方法，設(shè)計了一個工作在X波段、不受溫度變化影響、高增益的低噪聲放大器。該放大器具有調(diào)試簡單、穩(wěn)定可靠、成本低廉、體積小的特點，大小僅為43.6 mm×34 mm×15 mm，使得小型化模塊系列產(chǎn)品更加完善，進(jìn)一步拓寬了低噪聲放大器的應(yīng)用領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳愛萍，趙明，文斌.一種L波段低噪聲放大器的設(shè)計與仿真[J].計算機(jī)仿真，2011，28(6)：389-392.
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[3] 嚴(yán)蘭芳.C波段低噪聲放大器的設(shè)計[J].大眾科技，2010，26(11)：352-355.
[4] POZAR D M.微波工程(第三版)[M]．張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[5] 陳天麟.微波低噪聲晶體管放大器[M].北京：人民郵電出版社，1983.
[6] 陳艷華，李朝輝，夏瑋.ADS應(yīng)用詳解—射頻電路設(shè)計與仿真[M].北京：人民郵電出版社，2008.