Design of 0.35-2.5GHz ultra-broad band low noise amplifier
摘要：探讨了一种超宽带低噪声放大器的设计方法，其匹配网络是由微带与集总元件共同组成。设计采用了PHEMT晶体管（ATF-54143）。采用负反馈技术，并使用ADS2003C对整个匹配网络进行优化设计，实现了在0.35-2.5GHz的超宽带频率范围内，增益G>25dB,增益不平坦度为 ，噪声系数 NF<1.1，输入、输出驻波比 VSWR1（VSWR2）<2.0。提高了设计效率。该放大器可制作在，相对介电常数为2.65， 厚度h为1mm的介质基板上。
关键词：超宽带；低噪声放大器；负反馈；优化设计
Abstract: A design approach of ultra-broad-band low noise amplifier( LNA) ,whose impendence matching network is consist of micro-strip,resistance,capacitance and inductance，is studied.In order to decrease the noise figurein broader frequency  band，the  negative feedback techniques is used,and the PHEMT(pseudomophic high electron mobility transistor) named ATF-54143 is adopted,and the software ADS2003C is used to optimize and design the whole matching network.Finally, the amplifier achieves the following performance: gain plainness is  ，noise figure<1.1dB,input and output standing wave ratio<2.0, over the 0.35GHz-2.5GHz
Key words: ultra-broad band; low noise amplifier( LNA);negative feedback;      optimization

1引言
宽频带放大器是有源微波电路中的典型代表。宽频带匹配网络的设计则是宽频带放大器设计的中心问题之一[1]。
 

根据戴维南定理，输入输出匹配网络以及多级放大器的级间匹配网络，都可以归结为图1所示的无源二端口网络N的设计，当  之中有一个是纯电阻时，称为单端口匹配问题；当 均为复数阻抗时，称为双端匹配问题。在微波多级放大器电路中，匹配网络一般由传输线，无耗集总元件构成。本文经过对低噪声放大器的各种重要参数进行分析，结合指标要求，采用负反馈技术设计宽带低噪声放大器。然后使用仿真软件ADS2003C，对放大器的匹网络进行优化设计，得出了符合指标的匹配网络，提高了设计效率。

2 低噪声放大器参数分析
2.1 噪声系数
整个电路的总噪声系数：
 
关键在于第一级网络的噪声系数  。但是降低噪声系数的同时，必须考虑与低噪声相冲突的其他参数，如稳定性、增益等。最低噪声特性和最大增益是不能同时实现的，需要根据设计的指标寻求一个折衷 [2]-[5]。
2.2 功率增益
如图1所示，当放大器输入端与源端共轭匹配：即输入反射 时，信号源输入放大器的功率最大，称此功率为资用功率（ ）。负载所得功率 与该资用功率之比称为转换功率增益（ ），
  

转换功率增益定量的描述了插入在信号源与负载之间的放大器增益。（2）式是作为放大器及输入、输出匹配网络近似设计的基础。
2.3 稳定性指标
放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。从反射系数的角度来说，只有当反射系数的模小于1 时系统才是稳定的。反射系数大于1 说明反射电压幅度大于入射电压幅度，或者说放大器的端口阻抗出现了负实部，端口阻抗表现为负电阻，这是由正反馈引起的。由振荡理论知道这会引起自激现象。因此，只有当

3 电路设计与结果
3.1设计指标：
将要设计的超宽带低噪声放大器的指标：
工作频率： 0.35GHz～2.5GHz ，增益：  G>25dB，增益不平坦度小于
噪声系数： NF<1.1，输入、输出驻波比 VSWR<2.0，基板板材的相对介电常数为2.65， 厚度h为1mm
3.2 设计方案
在射频领域中，设计宽带放大器的主要障碍是受到有源器件增益与带宽乘积的制约。文献2中指出了任何有源器件的增益在高端都具有逐渐下降的特征，其原因是双极结晶体管的基极－集电极电容或场效应晶体管的栅极－源极电容和栅极－漏极电容。当工作频率达到晶体管的截止频率 后，晶体管失去了放大器功能而变成了衰减器。由于放大管的 不可能在宽频带内保持为常数，所以必须采取补偿措施。除了正向增益 降低之外，在设计宽带放大器方面存在的其他困难包括：
（1）反向增益 增加，这将使放大器的整体增益进一步降低，并使器件进入振荡状态的可能性增加；
（2）随频率而变化；
（3）在高频下噪声系数恶化。
为了解决这些问题，可以采用频率补偿匹配网络，平衡放大器和负反馈技术等。频率补偿匹配网络这种方法设计相当困难，几乎全靠经验，平衡放大器主要是增加了电路尺寸和由于耦合器带宽造成的频率响应劣化。综合考虑下，本文采用负反馈技术将获得平坦的增益响应和较低的噪声系数。
根据指标要求，可以选用安捷伦公司生产的放大管ATF－54143，该管具有噪声低，增益高，频率范围宽的特点。该管在0.3～2.5GHz 的工作频率范围内，直流工作点为Vds＝3V,Ids=60mA时，单级的增益约为17dB ，为了实现指标G>25dB，可以采用两级放大的形式且均用该管，并使用微带线与集总元件实现匹配和传输。
设计时，如果按最小噪声设计放大器，输入端不是共扼匹配，会造成输入驻波比差，增益低，带内增益平坦度也不好。多级放大器每级侧重解决一个指标，则整个放大器可获得满意的结果。因此，噪声匹配网络的设计应使第一级放大器的输入网络在很宽频带内达到或接近最佳噪声匹配，同时，对增益的平坦特性要有一定的补偿。级间匹配网络的设计应使放大器的幅频特性为最佳平坦。尽量使第一级的增益相对最大，第二级的入口的反射系数最小，以保证后级放大器取得较高的增益，并使它对噪声的贡献最小[6]。
3.3仿真结果
经过以上分析，并多次调试，可以得出图2所示的仿真原理图及仿真结果。

由仿真结果可以看出放大器在0.35～2.5GHz的工作频带内，稳定系数k均大于1.9。噪声系数NF小于1.1，输入驻波比VSWR1、输出驻波比VSWR2均小于2。带内增益>25.725dB,增益不平坦度为 。均达到了设计指标。
4 结论
根据对低噪声放大器的主要特性指标的分析，设计超宽带低噪声放大器的匹配网络，并使用仿真软件ADS2003C进行优化，得出在0.35-2.5GHz的工作频带内，增益G>25dB,增益不平坦度为 ，噪声系数 NF<1.1dB，输入、输出驻波比 VSWR1（VSWR2）<2.0的超宽带低噪声放大器。验证了设计方法的高效性。
本文创新点：使用负反馈技术，设计出超宽带低噪声放大器，使在0.35-2.5GHz的宽范围的工作频带内，放大器具有增益较高，增益平坦度较优，以及噪声系数小等优点。
 
 

参考文献
[1]王子宇，张肇仪，徐承和. 射频电路设计-理论与应用［M］. 北京：电子工业出版社，2003.
[2]黄秋元，鄢 凯.LNA 匹配网络设计与仿真[J].武汉理工大学学报－信息与管理工程版，2002，27（5）,144-147.
[3]姜明，冯鸿辉，陈新齐.微波超宽带低噪声放大器的设计.南开大学学报（自然科学），2002，35（3），74-78.
[4]邓次平.现代微波网络导论[M]，北京，国防工业出版社，1994.
[5]刘文用，陈迪平，陈弈星，王镇道.以有源电感为负载的CMOS宽带LNA设计[J].微计算机信息,2006, 12-2: 248-250.
[6]马瑞东.微波低噪声放大器的计算机辅助设计[J].微波与卫星通信，1995，4，45-48.

作者简介：葛广顶，男，1978年6月，汉族，桂林电子科技大学信息与通信工程学院，硕士研究生，研究方向：电磁场与微波技术；
通信地址：广西区桂林市桂林电子科技大学研F3 葛广顶。邮编：541004