低噪聲放大器設計指南

1、低噪聲放大器在通訊系統中的作用

隨著通訊工業的飛速發展，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備制造商的普遍追求，這就對系統的接收靈敏度提出了更高的要求，我們知道，系統接收靈敏度的計算公式如下：

S_min=-174+NF+10logBW+S/N (1)

由上式可見，在各種特定（帶寬、解調S/N已定）的無線通訊系統中，能有效提高靈敏度的關鍵因素就是降低接收機的噪聲系數NF，而決定接收機的噪聲系數的關鍵部件就是處于接收機最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，以供系統解調出所需的信息數據，所以低噪聲放大器的設計對整個接收機來說是至關重要的。

2、低噪聲放大器的主要技術指標：

2.1、噪聲系數NF

噪聲系數的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：

對單級放大器而言，其噪聲系數的計算為：

其中F_min為晶體管最小噪聲系數，是由放大器的管子本身決定的， Γ_opt、R_n 和Γ_s分別為獲得F_min時的最佳源反射系數、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數。

對多級放大器而言，其噪聲系數的計算為：

NF=NF₁+(NF₂-1)/G₁+(NF₃-1)/G₁G₂+ （4）

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。

在某些噪聲系數要求非常高的系統，由于噪聲系數很小，用噪聲系數表示很不方便，常常用噪聲溫度來表示，噪聲溫度與噪聲系數的換算關系為：

T_e=T₀ ( NF–1) （5）

其中T_e 為放大器的噪聲溫度，T₀ =290°K，NF為放大器的噪聲系數。

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=P_out / P_in （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范圍。 所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應與系統的整機噪聲系數、接收機動態范圍等結合起來考慮。

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，我們在設計低噪聲放大器的匹配電路時，輸入匹配網絡一般為獲得最小噪聲而設計為接近最佳噪聲 匹配網絡而不是最佳功率匹配網絡，而輸出匹配網絡一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設計，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 情況下會使系統不穩定，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：

由式3可知，當Γ_s = Γ_opt 時，放大器的噪聲系數最小，NF=NF_min ，但此時從功率傳輸的角度來看，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最小噪聲，適當的犧牲一些增益也低噪聲放大器設計中經常采用的一種辦法。

2.5、放大器的動態范圍（IIP3）：

在低噪聲放大器的設計中，應充分考慮整個接收機的動態范圍，以免在接收機后級造成嚴重的非線性失真，一般應選擇低噪聲放大器的輸入三階交調點IIP3較高一點，至少比最大輸入信號高30dB，以免大信號輸入時產生非線性失真。

除以上各項外，低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內的增益平坦度等指標也很重要，設計時要認真考慮。

3、低噪聲放大器的設計方法：

3.1、低噪聲放大管的選擇原則

對微波電路中應用的低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及足夠的動態范圍，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為幾個分貝，而砷化鎵小信號的場效應管的工作頻率更高，噪聲系數可在1分貝以下。

我們在選取低噪聲放大器管通常可以從以下幾個方面進行考慮：

1） 微波低噪聲管的噪聲系數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，現在PHEMT 場效應管的噪聲系數在2GHz可在0.5dB左右，工作頻率高端可達到6GHz。

2） 微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動態范圍,一般要求放大器工作增益大于10dB以上, 當輸入信號達到系統最大值時由放大器非線性引起的交調產物小于系統本底噪聲，對于ZXPCS大基站項目由于最大輸入信號小于-44dBm，考慮到放大器 13dB左右增益，我們選取了ATF34143 場效應管它的增益可達15dB，OIP3為30dBm左右。