L波段200MHz帶寬LNA設計

　　引言

　　低噪聲放大器(LNA)是雷達、通信、電子對抗、遙測遙控等電子系統中關鍵的微波部件，有廣泛的應用價值。由于微波系統的噪聲系數基本上取決于前級放大器的噪聲系數，因此LNA噪聲系數的優劣會直接影響整個系統性能的好壞。低噪聲放大器的設計主要包括輸入、輸出匹配網絡和直流偏置網絡的設計以及改善晶體管穩定的措施。本文首先介紹放大器提高穩定性的源極串聯負反饋原理，然后設計了一個L波段的低噪聲放大器實例，并給出了放火器輸入、輸出回波損耗、增益、噪聲系數等參數的仿真結果。

　　低噪聲放大器的設計

　　本文所設計的低噪聲放大器的性能指標為：在1.90GHz～2.10GHz的頻段內，功率增益Gp≥30dB，噪聲系數NF≤1dB。考慮指標要求，擬采用兩級放大級聯技術來實現。n級放大器噪聲系數可表示為：

　　n級放大器噪聲系數公式

　　其中，NF為放大器整機的噪聲系數;NF1、NF2…NFn分別是放大器第1級、第2級至第n級的噪聲系數;G1、G2、…Gn-1分別是放大器第1級、第2級至第n-1級的功率增益。由公式(1)可知，第一級放大器的噪聲系數和增益將直接影響整個放大器的噪聲系數。級聯低噪聲放大器要獲得低的噪聲系數，選擇的放大器第一級晶體管應該在工作頻率具有低的噪聲系數和較高的增益。設計LNA首先應根據設計指標選擇合適的器件，然后根據器件在工作頻率的阻抗特性設計輸入、輸出匹配網絡。

　　由于設計的低噪聲放大器的增益指標大于30dB，因此需要使用多級級聯的方式來實現。Agilent公司的ATF54143 E-PHEMT晶體管具有高增益和低噪聲的特性，適用于頻率范圍在450MHz～6GHz無線系統的各種LNA電路中。該管子在2GHz頻點上的噪聲系數是0.5dB，增益為17dB，因此選擇了該晶體管作為放大器的第一級;為實現放大器的增益指標，選用MGA86576作為第二級。

　　源極串聯反饋電感對穩定性的影響

　　穩定性是LNA電路必須考慮的，放大器的穩定性是指對振蕩的抑制水平，必須保證放大器的穩定性，以避免可能出現的自激。在晶體管放人器的二端口網絡中，它的兩個端口分別接信號源和負載，有了雙端口剛路的S參數，可以方便地計算放大器的穩定系數K，穩定性判據如下：

　　源極串聯反饋電感公式

　　其中△=|S11S22-S12S21|。當K>1且△<0時，放大器處于絕對穩定狀態;K<1，電路則潛在不穩定。由于AFT54143在工作頻段內不是絕對穩定的，為了提高放大器的穩定性，在輸出端并聯一個100Ω的電阻。為確保ATF54143在盡可能寬的頻帶內保持穩定，這里采取源極引入串聯感性反饋的方法，電感采用一段很細的微帶線來代替，晶體管接入串聯反饋電感后的等效電路如圖1所示。

　　晶體管接入串聯反饋電感后的等效電路

　　串聯反饋電感LS后，晶體管的輸入阻抗Zin可以表示為：

　　輸入阻抗Zin公式

　　當wLs<

　　輸入阻抗Zin公式