低噪聲放大器設計指南

3.2、輸入輸出匹配電路的設計原則

對 于單級晶體管放大器的噪聲系數，如上式（3）所示，式（3）可以化成一個圓的表達式，即等噪聲系數圓。圓上每一點代表一個能產生恒定噪聲系數NF的源反射 系數。如要獲得需要的噪聲系數，只要在圓圖上畫出對應于這個噪聲系數的圓，然后將源阻抗匹配到這個圓上的一個點就行了。 實際設計中由于要兼顧到放大器的增益，通常我們不取最小噪聲系數。在對放大器進行單項化設計時（假定S₁₂＝0），轉移功率增益GT可以由如下公式表示：

對于特定的晶體管S₁₁、S₂₂是確定的， 不同的源反射系數Γ₁ 和負載反射系數Γ₂ ，可以構成恒定增益圓，設計時只須將源和負載反射系數分別匹配到相應的圓上，便能得到相應的增益。將恒定增益圓與等噪聲系數圓結合起來設計，便能得到比較 理想的結果。另外設計中還要注意增益平坦設計主要是高端共軛匹配，低端校正，一般還需在多個中間頻率上進行增益規定性校驗，在高頻應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，實際中微波場效應晶體管和雙極性晶體管都存在內部反饋，微波管的S₁₂就表示內部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數。S₁₂越大，內部反饋越強，反饋量達到一定強度時，將會引起放大器穩定性變壞，甚至產生自激振蕩。微波管的S₂₁代表電壓波的正向傳輸系數，也就是放大倍數。S₂₁越大，則放大以后的功率越強。在同樣的反饋系數S₁₂的情況下，S₂₁越大當然反饋的功率也越強，因此S₂₁也影響放大器的穩定性。

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大于1是穩定狀態，只有當式（2－4）中的三個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩定的。

實際設計時為了保證低噪聲放大器穩定工作還要注意使放大器避開潛在不穩定區。

為改善微波管自身穩定性，有以下幾種方式：

1）串接阻抗負反饋

在MES FET的源極和地之間串接一個阻抗元件，從而構成負反饋電路。對于雙極晶體管則是在發射極經反饋元件接地。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，因此反饋元件常用一段微帶線來代替，它相當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α，反向功率衰減為β，且α≥1，β>1。則

Γ₀為加隔離器前的反射系數，Γ為加隔離器后的反射系數。

用以改善穩定性的隔離器應該具有的特性是：
(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有較小衰減，以免影響整機噪聲系數，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）穩定衰減器

Π 型阻性衰減器是一種簡易可行的改善放大器穩定性的措施，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。在不少情況下，放大器輸出口潛在不穩定區較大，在輸出端加Π型阻性衰減器，對改善穩定性相當有效。

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，由于電阻會產生附加的熱噪聲，放大器的輸入端應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具有損耗小，易于加工，性質穩定的特點，材料的物理和電氣性能均勻（特別是介電常數和厚度），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 慮到鄰近相關電路的影響，注意濾波、接地和外電路干擾問題設計中要滿足電磁兼容設計原則。

4、目前低噪聲放大器方面的設計手段。

目前低噪聲放大器的設計普遍采用CAD的方法進行仿真，國內較流行的有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、目前同行業低噪放的發展水平

隨著半導體器件的發展，低噪聲放大器的性能不斷提高，采用PHEMT 場效應晶體管的低噪聲放大器的在800MHz 頻段噪聲系數可達到0.4dB,增益約17dB左右，1900MHz頻段噪聲系數可達到0.6增益為15dB左右。