低噪声放大器的仿真设计

1 引言

随着通信技术的飞速发展，人们对各种无线通信工具的要求也越来越高，这就要求对系统的接收灵敏度提出更高的要求，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是低噪声放大器（LNA）。低噪声放大器在任何微波接收系统中都处于前端位置，这是因为微波系统的噪声系数基本上取决于前级放大器的噪声系数，所以LNA是接收机系统中相当重要的一个部件。LNA的主要作用是放大天线从空中接收的微弱信号，降低噪声干扰，为使接收信号能被后级电路有效的接收和处理，LNA应具有一定的增益，但是过高的增益会导致信号非线性失真和噪声的提高，因此增益不能太高。一般来说，LNA的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机的动态范围等结合起来考虑。本文研究设计的LNA的主要技术指标为：回波损耗小于-15dB，放大器的增益约为13dB，输入输出VSWR不大于1.5，并且噪声系数小于1.6，放大器工作在稳定状态。

2 输入输出匹配电路的设计

2.1 输入匹配电路的设计

在设计LNA的匹配电路的时候，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低VSWR而设计。所以在设计LNA的时候，可以通过等噪声圆和等增益圆来综合设计，而本文主要是利用Agilent ADS软件设计LNA，这样大大的简化了设计的复杂性。

这里采用ADS中的DA_SSMatch匹配来设计输入匹配电路，由于这种匹配方法要用到放大器的输入阻抗，因此有必要先通过仿真得出三极管的输入阻抗，然后再设计输入匹配电路。

由仿真得输入阻抗为18.892+j×6.813，然后以此来设计输入匹配电路并仿真，图1的仿真结果可以看到，匹配良好且VSWR为-32dB，符合输入匹配的设计指标要求。

2.2 输出匹配电路的设计

输出匹配电路采用串并联电感电容的方法来设计，这里采用ADS软件的调谐功能来设计输出匹配电路。图2为经过多次调谐所得到的较好的输出匹配电路。

由图2的仿真结果可以看出，输出电路已经实现了很好的匹配且符合指标的要求。但是由于输出匹配电路的引入，必然会对输入匹配电路产生影响并使其失配，由于直流偏置的引入也必然会对输入输出匹配电路造成影响，所以这里先不考虑输出匹配电路对输入匹配电路产生的影响，而是先设计好直流偏置网络，然后综合各部分来优化电路。

图1 输入匹配电路和仿真

3 直流偏置网络的设计

所有射频/微波电路不可缺少的电路单元就是无源或有源偏置网络。偏置的作用是在特定的工作条件下为有源器件提供静态工作点，并抑制晶体管参数的离散特性以及温度变化的影响，从而保持恒定的工作特性。放大器的偏置条件根据实际的工作背景而定。

工作状态的划分是根据导通角来定的。甲类工作状态下整个信号周期内都有集电极电流存在，导通角，如果晶体管线性区内的传递特性近似于线性函数，则输出信号时没有失真的、放大了输入信号，但效率最低，最大理论值为50%。乙类工作状态下只有半个周期内有集电极电流，导通角为；甲乙类的导通角为。这两种工作状态一般用于功放而不是低噪放中。丙类导通角，输出信号失真最大，但效率却是最高的。通过直流偏置仿真得到，直流偏置点=2.7V和=5mA可以得=38kohm，=469ohm。

图2 输出匹配电路和仿真

4 LNA的实现和仿真

将前面设计的输入输出匹配电路和直流偏置网络综合考虑，并加入隔离直流和交流的DCBlock和DCFeed器件防止相互影响，这样就完成了LNA整体电路的大体设计。但是由于输出匹配电路对输入匹配电路会产生影响，并且直流偏置网络也会对输入输出匹配电路产生影响，导致电路的输入输出会失配并使电路S参数恶化。因此，在综合各部分的情况下，有必要对电路进行优化设计，使电路的整体实现较好的效果，图3是通过多次匹配优化设计出来的符合指标要求的LNA电路和仿真结果。

由图3可以看出，在2GHz时输入端和输出端的反射系数均小于-20dB，且放大器的增益约为14dB，反射系数也很小，这些都符合并且优于指标要求，并且该LNA的输入输出VSWR均小于1.5（这里没有给出输出VSWR的图），噪声系数也在1.4到1.6之间，最后再来看LNA的稳定性，由图3的仿真结果可以看到2GHz时放大器的稳定系数大于1，即放大器能稳定的工作，由此我们可以说该LNA电路的设计符合各项指标的要求。

图3 LNA电路实现与仿真

5 结论

本文讨论了一个2GHz的LNA的设计，并利用