宽带低噪声放大器的设计

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1、宽带低噪声放大器的设计摘要:低噪声放大器(LNA)是雷达、通信、电子对抗、遥测遥控等电子系统中关键的微波部件，有广泛的应用价值。本文在给出了低噪声放大器的主要技术指标及低噪声放大器的设计方法的基础上,采用负反馈技术，并使用ADS2003C对整个匹配网络进行优化设计，实现了在0.35-2.5GHz的超宽带频率范围的低噪声放大器的设计。关键词：低噪声放大器(LNA)、负反馈、噪声系数0、引言：系统接收灵敏度的计算公式如下：S二-174+NF+10logBW+S/N由上式可见，在各种特定(带宽、解调S/N已定)的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收

2、机的噪声系数NF,而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。下图1为二端口网络示意图：图1为二端口网络示意图根据戴维南定理，输入输出匹配网络以及多级放大器的级间匹配网络，都可以归结为图1所示的无源二端口网络的设计，当Zs,乙之中有一个是纯电阻时，称为单端口匹配问题;当Zs,厶均为复数阻抗时，称为双端匹配问题。在微波多级放大器电路中，匹配网络一般由传输线，无耗集总元件构成。本文经过对低噪声放大器的各种重要参数进行分析，结合指标要求，采用负反馈技术设计宽带低噪声放大器。然后使用仿真软件ADS2003C,对放大器的匹网络进行优化设计，得出了

3、符合指标的匹配网络，提高了设计效率。1•低噪声放大器的主要技术指标1・1噪声系数NF放大器的噪声系数NF可定义如下S.IN.NF=—-——SmJNout(j)式中，NF为微波部件的噪声系数；Sin,両分别为输入端的信号功率和噪声功率；Sout,N创分别为输出端的信号功率和噪声功率。噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏;信噪比下降的倍数就是噪声系数。通常，噪声系数用分贝数表示，此吋(2)NF(dB)=l(Bg(NF)对单级放大器而言，其噪声系数的计算为:U

4、2d-

5、rj2)

6、ifI21.2放大器增益G放大器的增益定义为放大器

7、输出功率与输入功率的比值:G=Pout/Pin低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益G要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益大概低2-4dBo1・3输入输出的驻波比低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输11!回路的匹配情况，我们在设计低噪声放大器的兀配电路吋，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最低驻波比而设计，所以,低噪声放大器的输入端总是存在某种失配。这种失配在某些情况下会使系统不稳定，一般情况为

8、了减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响，可用插损很小的隔离器等其他措施来解决。1・4反射系数由式3可知，当rs=ropt时，放大器的噪声系数最小：NF二NFmin,但此时从功率传输的角度来看，输入端是失配的，所以放大器的功率增益会降低，但有些吋候为了获得最小噪声，适当的牺牲一些增益也低噪声放大器设计中经常采用的一种办法。1・5放大器的动态范围(IIP3)动态范圉是指低噪咅放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。动态范围的下限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数莊给定时，输入信号功率允许最小值是：Pm[n=Nf(kT^fm)M其中：A4—微波系统

9、的通频带(例如屮频放大器通频带):1一微波系统允许的信号噪声比，或信号识别系数；TO—环境温度，293Ko由公式可知，动态范围下限基本上取决于放大器噪声系数，但是也和整个系统的状态和要求有关。例如，电视机信号微波中继每信道频带V.=40MIIz,信号噪音比皿=10,放大器噪声系数Nf=1.2(0.8dB)动态范围下限是£nin=7.23xlO~9mlV=-81JB。动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求更加严格些，则定义为放大器非线性特性达到指定三阶交调系数时的输入功率值。1.6增益平坦度增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏，常用最高增益与最小增益之

10、差，WAG(dB)表示,如下图所示。放大器频带特性1.7工作频带考虑到噪音系数是主要指标，但是在宽频带情况下难于获徉极低噪音，所以低噪音放大器的工作频带一般不大宽，较多为20%±下。工作频带不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪咅要满足要求，并给出各频点的噪音系数。1.8稳定性指标放大器电路必须满足的首要条件之一是英在工作频段内的稳定性。从反射系数的角度来说，只有当反射系数的模小于1时系统才是稳定的。反射系数大于1说明反射电压幅度大于入射电压幅度，或者说放大器的端口阻抗出现了负实部，端口阻抗表现为负电阻，这是由正反馈引起的。由振荡理论知

11、道这会引起自激现象。因此，只有当ITS