ku波段宽带低噪声放大器研制

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1、Ku波段宽带低噪声放大器研制崔铮薛祝和李斌范庆元（中国科学院上海天文台上海200030）摘要：低噪声放大器（LNA）是微波接收机前端中的重要组成部分。低噪声放大器的性能将决定着接收机的信噪比大小。本文介绍了一种宽带Ku波段低噪声放大器的设计原理和方法，并给出了仿真结果。该放大器采用NEC公司的NE3210S01场效应晶体管（FET），利用三级级联的方式来达到较高的增益和较好的增益平坦度。仿真后在11-13GHz范围内增益（29.7±0.5）dB，噪声温度小于55K，S11,S22小于-25dB。关键

2、词：低噪声放大器；噪声系数；级连匹配Abstract:Lownoiseamplifier(LNA)isanimportantpartasthefrontendofthemicrowavereceiver.TheperformanceoftheLNAwilldeterminethesignaltonoiseratio(SNR)ofthemicrowavereceiver.WeintroducedthedesignprincipleandmethodofaKubandLNAandgivetheemula

3、tionalresult.FETNE3210S01ofNECCompanywasusedinthisdesign.Athree-stagetopologywasusedtoachievehighgainandbettergainflatness.Aftersimulated,theresultwithagainof(29.7±0.5)dB,noisetemperaturelessthan55K,S11,S22lessthan-25dB.Keywords:lownoiseamplifier(LNA);

4、noisefigure(NF);seriesmatching1引言宽带Ku-波段接收机的研制目的，其主要用途是接收地球同步卫星信号用全息测量法做天线面高精度调整及甲醇脉泽谱线的观测。射电望远镜的基本原理和光学反射望远镜相似，投射来的电磁波被一精确镜面反射后，同相到达公共焦点。用旋转抛物面作镜面易于实现同相聚焦，因此，射电望远镜天线大多是抛物面。射电望远镜表面和一理想抛物面的均方误差如不大于λ/10～λ/6，该望远镜一般就能在波长大于λ的射电波段上才能有效地工作。因此，射电望远镜工作波长越短天线面精度

5、要求就越高，而经典射电望远镜是由多块面板拼接而成，做面板精度调整时，用全息法[15]代替传统测量是一极佳手段，并且用全息法实现大型射电望远镜实时主动面调整，达到不同仰角的保型工作状态。在全息法测量时，理想要求选用一颗仰角为30至60度范围内的一颗Ku波段的地球同步卫星，由于测站地理位置的不同，就应选取不同卫星为目标，这是我们选择制做Ku波段全宽带低噪声放大器的原因之一。其次，对银河系内的脉泽源进行观测，高精度地测定脉泽源各个子源的位置和自行，用视差原理，可以高精度地直接测定银河系内天体的距离，这对研

6、究我们银河系的结构和演化、暗物质的分布等有着决定性的意义[1]。下面我们将讨论一下低噪声放大器设计时所需要的理论分析和实际设计中所需注意的事项。2电路设计理论分析低噪声放大器（lownoiseamplifier，LNA）是射频接收前端的主要部分。它位于接收机的最前端，主要作用是将来自天线的微弱信号进行小信号放大，保证足够的信噪比。其中低噪声放大器的噪声系数和增益对整机性能影响较大[4]。噪声系数的定义：放大器的输入信噪比和输出信噪比的比值称为噪声系数。即：（4）进一步推导可得（5）因为输入的噪声可以

7、由（6）来表示所以可以推出（7）一般我们用对数形式来表示噪声系数[5]，即：NF=10logF(8)在实际应用中，尤其是在射电天文领域，往往用等效噪声温度来代替噪声系数。等效噪声温度的定义为将有噪声的网络假想成为无噪网络加上一个等效的输入噪声，这个噪声温度就是这个有噪网络的等效噪声温度。(9）它和噪声系数的关系为Te=T0（F-1）（10）由于本次我们采用的放大管是HEMT管，所以这里讨论的微波晶体管指的就是HEMT管。对放大管进行两端口分析，它的噪声系数F可以表示为[7]：（11）式中是晶体管的最

8、小噪声系数；是获得时的源反射系数；Rn是晶体管的等效噪声电阻；是任意的源反射系数（<1），F是对应于这个源反射系数的晶体管的噪声系数。对应的噪声温度可表示为：（12）其中最佳噪声源阻抗Ropt+jXopt,源阻抗Rs+jXs，噪声电导gn及最小噪声温度Tmin。通过上式可以看出噪声温度是由最小噪声温度Tmin和由最佳噪声源阻抗Ropt+jXopt，源阻抗Rs+jXs，噪声电导gn共同影响的匹配电路决定的。由于HEMT和本例采用的GaAsMESFET存在类似的输出特性，