S波段低噪聲放大器的ADS仿真與設計

　　摘要：介紹低噪聲放大器設計的理論基礎，并重點介紹了低噪聲放大器的主要性能指標：噪聲系數、功率增益、駐波比、穩定性等。以ATF38143晶體管為例介紹了ADS仿真軟件設計低噪聲放大器的方法和主要步驟。采用三級級聯結構設計出滿足指標的S波段低噪聲放大器鏈路。該放大器鏈路的指標為噪聲系數小于1.2，功率增益大于50dB，增益平坦度小于0.5dB，VSWR小于1.8的低噪聲放大器，帶寬為6MHz，并具有一定的帶外抑制能力。

　　引言

　　低噪聲放大器(LNA)的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，減少噪聲干擾，以供系統解調出所需的信息數據。當今，人們對各種無線通信工具的要求越來越高，如功率輻射要小、作用距離要遠、覆蓋范圍要廣等，這就對系統靈敏度提出了更高的要求，而接收機的第一個放大器的噪聲對這個系統的靈敏度影響很大。因此，位于射頻接收系統前端的LNA的優劣直接影響接收機的整體性能。

　　本文首先介紹了低噪聲放大器的基本理論知識和使用ADS仿真的方法流程，然后通過微帶單枝節匹配的方式設計一個中心頻率為2.226GHz，工作帶寬6MHz，噪聲系數小于1.2，功率增益大于50dB，增益平坦度小于0.5dB，VSWR小于1.8的低噪聲放大器，帶外抵制：500MHz~2150MHz@40dBc，2400MHz~4000MHz@40dBc。

　　低噪聲放大器的主要性能指標

　　噪聲系數

　　噪聲系數是低噪聲放大器一個主要指標，如果接收機的系統噪聲系數過大，信號會被噪聲埋沒。因此減少放大器噪聲系數是LNA的重要設計內容。噪聲系數NF的定義如下：式中，NF為射頻/微波器件的噪聲系數;S_in，N_in分別為輸入信號功率和噪聲功率;S_out、N_out分別為輸出信號的信號功率和噪聲系數。單極放大器的噪聲系數為　式中NF_min為晶體管最小噪聲系數，由放大器的管子本身決定;Γ_opt、R_N、和Γ_s分別為獲得NF_min時最佳源反射系數、晶體管等效噪聲電阻、晶體管輸入端的源反射系數。由上式可知當Γ_opt=Γ_s時，噪聲系數最小。但這種情況下通常駐波比較大或者增益比較小。因此實際設計中在三者之間取折中以滿足放大器的多項設計指標。對多級放大器而言，其噪聲系數的計算公式為：NF=NF₁+(NF₂-1)/G₃+(NF₃-1)/G₁G₂+……，其中，NF_n為第n級放大器的噪聲系數;G_n為第n級放大器的增益。由上式可知，多級級聯放大電路中第一級放大器的噪聲系數對整個放大器鏈路的噪聲系數影響最大，所以第一級盡可能選擇噪聲系數較小，功率增益較高的晶體管。

　　功率增益

　　功率增益是LNA的另一個重要指標之一，可表示為G=P_out-P_in式中：P_out為輸出信號功率;P_in為輸入信號功率。只有當晶體管的輸入輸出端與源和負載同時共軛匹配時，放大器才能獲得最大的功率增益。

　　放大器的穩定性

　　放大器的穩定性，一個微波管的射頻絕對穩定條件是      
        -。K稱為穩定性判別系數，K>1是穩定狀態。只有當3個條件都滿足時才能保證放大器是絕對穩定的。