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(shù)、功率增益、駐波比、穩(wěn)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(lián)結(jié)構(gòu)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(shù)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(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)。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(tǒng)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(tǒng)的靈敏度影響很大。因此，位于射頻接收系統(tǒng)前端的LNA的優(yōu)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(jié)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(shù)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(shù)

　　噪聲系數(shù)是低噪聲放大器一個主要指標，如果接收機的系統(tǒng)噪聲系數(shù)過大，信號會被噪聲埋沒。因此減少放大器噪聲系數(shù)是LNA的重要設計內(nèi)容。噪聲系數(shù)NF的定義如下：式中，NF為射頻/微波器件的噪聲系數(shù);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(shù)。單極放大器的噪聲系數(shù)為　式中NF_min為晶體管最小噪聲系數(shù)，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(shù)、晶體管等效噪聲電阻、晶體管輸入端的源反射系數(shù)。由上式可知當Γ_opt=Γ_s時，噪聲系數(shù)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(shù)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(shù);G_n為第n級放大器的增益。由上式可知，多級級聯(lián)放大電路中第一級放大器的噪聲系數(shù)對整個放大器鏈路的噪聲系數(shù)影響最大，所以第一級盡可能選擇噪聲系數(shù)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(wěn)定性

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