低噪聲放大器設(shè)計指南
低噪聲放大器設(shè)計指南
1．低噪聲放大器在通訊系統(tǒng)中的作用
隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對各種無線通訊工具的要求也越來越高，功率輻射小、作用距離遠、覆蓋范圍大已成為各運營商乃至無線通訊設(shè)備制造商的普遍追求，這就對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求，我們知道，系統(tǒng)接收靈敏度的計算公式如下：
S=-174+NF+10㏒BW+S/N……………………（1）
由上式可見，在各種特定（帶寬、解調(diào)S/N已定）的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機*前端的低噪聲放大器。低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以低噪聲放大器的設(shè)計對整個接收機來說是至關(guān)重要的
2． 低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：
2．1 噪聲系數(shù)NF
噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：
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（3） |
對單級放大器而言，其噪聲系數(shù)的計算為：
其中 Fmin為晶體管*小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，Γopt、Rn 和Γs分別為獲得 Fmin時的*佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。
對多級放大器而言，其噪聲系數(shù)的計算為：
NF=NF+(NF-1)/G+(NF-1)/G G +…… （4）
其中NFn為第n級放大器的噪聲系數(shù)，Gn為第n級放大器的增益。
在某些噪聲系數(shù)要求非常高的系統(tǒng)，由于噪聲系數(shù)很小，用噪聲系數(shù)表示很不方便，常常用噪聲溫度來表示，噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為：
Te=T0(NF– 1 ) （5）
其中Te 為放大器的噪聲溫度，T0 =2900 K，NF為放大器的噪聲系數(shù)。
NF(dB) = 10LgNF （6）
2．2放大器增益G：
放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值：
G=Pout / Pin （7）
從式（4）中可見，提高低噪聲放大器的增益對降低整機的噪聲系數(shù)非常有利，但低噪聲放大器的增益過高會影響整個接收機的動態(tài)范圍。所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機噪聲系數(shù)、接收機動態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。
2．3輸入輸出的駐波比：
低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征了其輸入輸出回路的匹配情況，我們在設(shè)計低噪聲放大器的匹配電路時，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得*小噪聲而設(shè)計為接近*佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)而不是*佳功率匹配網(wǎng)絡(luò)，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得*大功率和*低駐波比而設(shè)計，所以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配。這種失配在某些情況下會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對系統(tǒng)的影響，可用插損很小的隔離器等其他措施來解決。
2．4反射系數(shù)：
由式3可知，當(dāng)Γs = Γopt 時，放大器的噪聲系數(shù)*小，NF=NFmin ，但此時從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜?，輸入端是失配的，所以放大器的功率增益會降低，但有些時候為了獲得*小噪聲，適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯笃髟O(shè)計中經(jīng)常采用的一種辦法。
2． 5放大器的動態(tài)范圍（IIP3）：
在低噪聲放大器的設(shè)計中，應(yīng)充分考慮整個接收機的動態(tài)范圍，以免在接收機后級造成嚴重的非線性失真，一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點IIP3較高一點，至少比*大輸入信號高30dB，以免大信號輸入時產(chǎn)生非線性失真。
除以上各項外，低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內(nèi)的增益平坦度等指標(biāo)也很重要，設(shè)計時要認真考慮。
3．低噪聲放大器的設(shè)計方法：
3.1 低噪聲放大管的選擇原則
對微波電路中應(yīng)用的低噪聲放大管的主要要求高增益和低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達到幾個千兆噪聲系數(shù)為幾個分貝，而砷化鎵小信號的場效應(yīng)管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在1分貝以下。
我們在選取低噪聲放大器管通?？梢詮囊韵聨讉€方面進行考慮：
1） 微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小工作頻段足夠高，晶體管的fT一般要比工作頻率高4倍以上，現(xiàn)在PHEMT場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)在2GHz可在0.5dB左右，工作頻率優(yōu)異可達到6GHz。
2）微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動態(tài)范圍,一般要求放大器工作增益大于10dB以上, 當(dāng)輸入信號達到系統(tǒng)*大值時由放大器非線性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲，對于ZXPCS大基站項目由于*大輸入信號小于-44dBm，考慮到放大器13dB左右增益，我們選取了ATF34143 場效應(yīng)管它的增益可達15dB，OIP3為30dBm左右。
3.2 輸入輸出匹配電路的設(shè)計原則
對于單級晶體管放大器的噪聲系數(shù)，如上式（3）所示，式（3）可以化成一個圓的表達式，即等噪聲系數(shù)圓。圓上每一點代表一個能產(chǎn)生恒定噪聲系數(shù)NF的源反射系數(shù)。如要獲得需要的噪聲系數(shù)，只要在圓圖上畫出對應(yīng)于這個噪聲系數(shù)的圓，然后將源阻抗匹配到這個圓上的一個點就行了。實際設(shè)計中由于要兼顧到放大器的增益，通常我們不取*小噪聲系數(shù)。在對放大器進行單項化設(shè)計時（假定S12＝0），轉(zhuǎn)移功率增益GT可以由如下公式表示：
GT=G0G1G2
其中 ， 對于特定的晶體管S11、S22是確定的， 不同的源反射系數(shù)Γ1 和負載反射系數(shù)Γ2 ，可以構(gòu)成恒定增益圓，設(shè)計時只須將源和負載反射系數(shù)分別匹配到相應(yīng)的圓上，便能得到相應(yīng)的增益。將恒定增益圓與等噪聲系數(shù)圓結(jié)合起來設(shè)計，便能得到比較理想的結(jié)果。另外設(shè)計中還要注意增益平坦設(shè)計主要是優(yōu)異共軛匹配，低端校正，一般還需在多個中間頻率上進行增益規(guī)定性校驗，在高頻應(yīng)用時由于微波晶體管本身的增益一般隨著頻率的升高而降低，為了保證電路在低頻率段的增益恒定和穩(wěn)定性可以考慮在輸入輸出端采用高通匹配方式。
在以上的討論中我們忽略了晶體管的反向傳輸系數(shù)，實際中微波場效應(yīng)晶體管和雙極性晶體管都存在內(nèi)部反饋，微波管的S12就表示內(nèi)部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)。S12越大，內(nèi)部反饋越強，反饋量達到一定強度時，將會引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激振蕩。微波管的S21代表電壓波的正向傳輸系數(shù)，也就是放大倍數(shù)。S21越大，則放大以后的功率越強。在同樣的反饋系數(shù)S12的情況下，S21越大當(dāng)然反饋的功率也越強，因此S21也影響放大器的穩(wěn)定性。
一個微波管的射頻優(yōu)良穩(wěn)定條件是
其中
K稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)，K大于1是穩(wěn)定狀態(tài)，只有當(dāng)式（2－4）中的三個條件都滿足時，才能保證放大器是優(yōu)良穩(wěn)定的。
實際設(shè)計時為了保證低噪聲放大器穩(wěn)定工作還要注意使放大器避開潛在不穩(wěn)定區(qū)。
為改善微波管自身穩(wěn)定性，有以下幾種方式：
1）串接阻抗負反饋
在MESFET的源極和地之間串接一個阻抗元件，從而構(gòu)成負反饋電路。對于雙極晶體管則是在發(fā)射極經(jīng)反饋元件接地。在實際的微波放大器電路中，電路尺寸很小，外接阻抗元件難以實現(xiàn)，因此反饋元件常用一段微帶線來代替，它相當(dāng)于電感性元件的負反饋。
2） 用鐵氧體隔離器
鐵氧體隔離器應(yīng)該加在天線與放大器之間，假定鐵氧體隔離器的正向功率衰減微為a，反向功率衰減為b，且a31，b>1。則＝
G0為加隔離器前的反射系數(shù)，G為加隔離器后的反射系數(shù)。
用以改善穩(wěn)定性的隔離器應(yīng)該具有的特性是：
(1) 頻帶必須很寬，要能夠覆蓋低噪聲放大器不穩(wěn)定頻率范圍；
(2) 反向隔離度并不要求太高；
(3) 正向衰減只需保證工作頻帶之內(nèi)有較小衰減，以免影響整機噪聲系數(shù)，而工作頻帶外，則沒有要求。
(4) 隔離器本身端口駐波比要小。
3）穩(wěn)定衰減器
P型阻性衰減器是一種簡易可行的改善放大器穩(wěn)定性的措施，通常接在低噪聲放大器末級輸出口，有時也可以加在低噪聲放大器內(nèi)的級間，由于衰減器是阻型衰減，不能加在輸入口或前級的級間，以免影響噪聲系數(shù)。在不少情況下，放大器輸出口潛在不穩(wěn)定區(qū)較大，在輸出端加P型阻性衰減器，對改善穩(wěn)定性相當(dāng)有效。
3.3電路中需要注意的一些問題
一般對于低噪聲放大器采用高Q值的電感完成偏置和匹配功能，由于電阻會產(chǎn)生附加的熱噪聲，放大器的輸入端應(yīng)盡量避免直接連接到偏置電阻上。
用于低噪聲放大器的印制板應(yīng)具有損耗小，易于加工，性質(zhì)穩(wěn)定的特點，材料的物理和電氣性能均勻（特別是介電常數(shù)和厚度），同時對材料的表面光潔度有一定要求，通常我們可以采用以FR-4（介電常數(shù)4~5之間），為基片的 板材，如電路要求較高可采用以氧化鋁陶瓷等材料為基片的微波板材，在PCB布板中則要考慮到鄰近相關(guān)電路的影響，注意濾波、接地和外電路干擾問題設(shè)計中要滿足電磁兼容設(shè)計原則。
4． 目前低噪聲放大器方面的設(shè)計手段。
目前低噪聲放大器的設(shè)計普遍采用CAD的方法進行仿真，國內(nèi)較流行的有EESOF、MWOffice ADS等軟件。相對而言Agilent 公司的ADS 功能強大、簡明直觀應(yīng)用范圍較廣，我公司的LNA基本上都采用了ADS進行了仿真效果良好。
5． 目前同行業(yè)低噪放的發(fā)展水平
隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，低噪聲放大器的性能不斷提高，采用PHEMT 場效應(yīng)晶體管的低噪聲放大器的在800MHz頻段噪聲系數(shù)可達到0.4dB,增益約17dB左右，1900MHz頻段噪聲系數(shù)可達到0.6增益為15dB左右。
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