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1、C波段卫星信号接收机低噪声放大器的设计总第30卷第1期2007年6月~J-Ju-!频率JournalofTimeandFrequency,b1-30NO.1June,2007C波段卫星信号接收机低噪声放大器的设计王磊1,2,胡永辉(1.中国科学院国家授时中心,陕西西安710600;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:介绍了一个应用于C波段卫星信号接收机的低噪声放大器(LNA)的设计过程.为达到低噪声和高增益的目标,该低噪声放大器是利用低噪声的PHEMT晶体管ATF36077(用在第一级)和噪声性能良好的微波单片放大器MGA86576(
2、用在第二级)级联设计完成的.测试结果表明,该低噪声放大器的性能达到了预定指标:在3.8GH至4.2GHz工作带宽内噪声系数0.7dB,增益>/36dB,1dB带宽约350MHz.关键词:接收机;中图分类号:TN722.3文献标识码:A1引言低噪声放大器:噪声系数文章编号:1001—1544(2007)01-0037—08低噪声放大器(LNA)在射频接收系统中处于前端位置.对带宽与信噪比已定的各种特定的无线通讯系统而言,有效提高其灵敏度的关键因素是降低接收机的噪声系数.多级线性系统级联后的噪声系数的公式为++嚣+..式(1)中,F为系统总的噪
3、声系数,,和分别是第一级,第二级和第三级线性网络的噪声系数,GP和GP是第一级和第二级线性网络的功率增益.由式(1)可知,为降低接收机的整机噪声系数,系统第一级不仅要具有低噪声系数,而且要有较高的功率增益.因此,噪声特性是LNA设计中主要考虑的因素,另外,LNA还必须具有一定的增益.低噪声放大器一般由输人匹配网络,基本放大电路和输出匹配网络三部分组成.对于任何放大器,它在整个工作频段内必须是稳定的.在LNA匹配网络的设计中,需要选择合适的源反射系数和负载反射系数.设计的原则主要有三种,一种以实现最小噪声系数为目标;另一种以达到最大功率增益收稿日期
4、:2007—03—17;修回日期:2007—05—23作者简介:王磊,女,博士,主要从事微波射频电路设计,卫星导航定位系统抗干扰研究.38时间频率总30卷为目标;还有一种则综合考虑噪声系数和功率增益,要求放大器有较低的噪声系数的同时又具有一定的增益.对于不同的设计原则,相应的匹配电路的结构也不一样.本文采用第三种原则.2电路设计我们选用低噪声PHEMT晶体管ATF36077进行低噪声放大器电路的第一级的设计.表1是ATF36077在特定偏置条件下其噪声特性与工作频率的关系.表1中ATF36077直流偏置条件为=1.5V,IDs=10mA,Zo=5
5、0Q.由表1可见,场效应管ATF36077的噪声系数非常小,因此常用来设计LNA的第一级电路.同时ATF36077本身具有非常低的噪声电阻,减弱了输入端阻抗匹配改变时对噪声性能的影响,有利于设计宽带低噪声放大器.表1ATF36077典型噪声系数与频率关系为最小噪声系数,为噪声匹配的最佳源反射系数,尼为噪声电阻.对低噪声放大器的第二级,采用微波单片放大器MGA一86576,它是惠普公司的一种单片微波集成芯片.在1.5GHz至8GHz频段内,该放大器均能提供良好的噪声特性和较大的增益,已被广泛应用于GPS前置放大电路以及C波段卫星接收机的前端电路中.
6、MGA一8657在4GHz频率处的噪声系数为1.6dB,增益为23dB,1dB压缩点的输出功率为+6dBm.典型参数和噪声系数详见数据手册【".2.1低噪声放大器的稳定性绝对稳定指的是在选定的工作频率和偏置条件下,放大器在整个Smith圆图内始终都处于稳定状态.这个概念对输入,输出端口都适用.稳定系数k可由下式表达::±i垒[:i苎:i丝[(2)2Isl2S2lI(2)式中,.,S.,S.和:是参数,A=$11S一.S.,器件要达到无条件稳定,一般要同时满足I△I<1和k>1口j.也有些文献提出k>0.8即可满足稳定性要求.为了
7、满足稳定性要求,在ATF36077的漏极串连了一个小电阻,这样同时也会使增益下降,因此要作综合考虑.另外,在ATF36077的源极还可以加上--/J,段微带线(其作用相当于一个小电感),作为串连负反馈以提高电路稳定性.实际上ATF36077有两个源极,需要加两个反馈微带.低噪声放大器的第一级ATF36077的稳定系数和级联后整体稳定系数分别示于图1和图2.从这些图中可以看出1期王磊等:C波段卫星信号接收机低噪声放大器的设计39在3.6～4.5GHz频率范围内均满足稳定性要求.频率f/GHz图1ATF36077的稳定系数频率f/GHz图2ATF36
8、077与MGA86576级联后整体稳定系数2.2单向化设计方法文献[4]指出,当忽略放大器反馈效应影响(S=0)时,功率增益可以近似表示
