1 LNA設計思路

主要設計指標：頻率500～3000MHz，增益≥14dB

，平坦度±0.5dB，輸入輸出回波損耗>10dB，NF≤1.4dB，輸出P-1≥14dBm
，工作電壓3.3v
，電流<100mA。微波放大器根據功能可以分為低噪聲放大器（LNA）, 功率放大器（PA）和驅動放大器（Driver Amplifier）。對於低噪聲放大器的設計,器件選擇十分重要
，以噪聲係數為評價指標對器件排序如下：HEMT>JFET,MESFET>HBT>BJT>CMOS我們綜合成本和性能的要求，選擇Agilent的ATF-54143，它是HEMT，噪聲係數很低，而且在3GHz時
，MAG還有19.77dB (Vds=3V
，Ids=20mA)。

首先考慮放大器的穩定性，一般放大器不是全頻帶穩定的，將一個放大器簡化為一個二端口網絡，則無條件穩定條件可表示為:



從而可以得到輸入和輸出的穩定性判定因子及穩定係數分別為



(其中：Δ=S11S22 - S21S12)它們分別是源和負載端的穩定性判定因子，隻要它們之中有一個大於1，另外一個也必然大於1，而且K也會大於1，此時放大器無條件穩定。對於LNA，電(dian)阻(zu)的(de)出(chu)現(xian)會(hui)提(ti)高(gao)放(fang)大(da)器(qi)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)，降(jiang)低(di)放(fang)大(da)器(qi)的(de)增(zeng)益(yi)，增(zeng)加(jia)放(fang)大(da)器(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)，所(suo)以(yi)最(zui)好(hao)把(ba)穩(wen)定(ding)放(fang)大(da)器(qi)的(de)電(dian)阻(zu)放(fang)到(dao)輸(shu)出(chu)端(duan)去(qu)
，同(tong)時(shi)由(you)於(yu)放(fang)大(da)器(qi)一(yi)般(ban)是(shi)在(zai)某(mou)些(xie)頻(pin)段(duan)不(bu)穩(wen)定(ding)的(de)
，這(zhe)時(shi)可(ke)以(yi)對(dui)電(dian)阻(zu)元(yuan)件(jian)引(yin)入(ru)並(bing)聯(lian)或(huo)串(chuan)聯(lian)電(dian)容(rong)，使(shi)得(de)電(dian)阻(zu)對(dui)某(mou)些(xie)特(te)定(ding)頻(pin)率(lv)進(jin)行(xing)較(jiao)大(da)衰(shuai)減(jian)，這(zhe)樣(yang)將(jiang)對(dui)不(bu)穩(wen)定(ding)頻(pin)段(duan)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)有(you)所(suo)改(gai)善(shan)，同(tong)時(shi)盡(jin)可(ke)能(neng)少(shao)的(de)影(ying)響(xiang)其(qi)它(ta)頻(pin)段(duan)的(de)穩(wen)定(ding)係(xi)數(shu)K，這是因為

如果K值過大
，放大器的增益下降會很厲害，一般K取1.1左右比較好。寬帶阻抗匹配是一個困難的問題。因為複阻抗通常隨頻率變化
， Bode和Fano等人指出，當存在電抗元件時，在寬帶匹配方麵有一個實際極限，如式(8)所示：

雖然有多種實現寬帶放大器的技術，但是常用的主要有以下兩種：平衡式放大器、反饋式放大器。基於成本和體積的考慮, 我們采用負反饋進行寬帶放大器的設計。如圖1所示的負反饋電路, 電阻元件R1 和R2的優化初值選擇依照下麵公式：

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對於LNA
，對於單級放大器而言
，其噪聲係數的計算為

其中Fmin為晶體管的最小噪聲係數
，它由放大器晶體管本身決定，Γopt、Γs和Rn分別為獲得最佳反射係數、晶體管輸入端源反射係數以及晶體管的等噪聲電阻。所以輸入匹配電路主要讓噪聲係數最小，但為了保證增益
、駐波和帶寬的指標，輸入輸出匹配電路需要在Γopt
、S11、S22和Gain之間取舍。采用諧振單元加傳輸線的結構來實現寬帶LNA的設計,如圖2所示。研究諧振單元加傳輸線的匹配特性
，結果如圖3所示。

一般的匹配網絡
，如L型或者型電路等，它們的帶寬是有限的

，如果要達到寬帶，需要混合使用，而其在Smith圓圖上

，經過每一個元件匹配後的Q值都不能變大，顯然當各個點處的Q值相等時匹配結果最優，因為從(8)式可以看出
，若有任意一點的Q值變大，整個帶寬就會變小。下麵給出一個采用諧振單元的例子如圖2所示。從圖3的仿真結果可以看到，由於諧振單元的電抗特性，在較寬的頻帶內可以達到較好的匹配效果。

2 LNA仿真、優化

在zai實shi際ji製zhi作zuo放fang大da器qi時shi，必bi須xu考kao慮lv場chang效xiao應ying管guan源yuan極ji接jie地di的de影ying響xiang。在zai頻pin率lv較jiao低di時shi

，其qi影ying響xiang可ke以yi忽hu略lve不bu計ji

，但dan在zai微wei波bo頻pin段duan，接jie地di情qing況kuang直zhi接jie惡e化hua實shi際ji的de性xing能neng。為wei考kao慮lv接jie地di對dui信xin號hao傳chuan輸shu的de影ying響xiang，采cai用yongADS自帶的momentum軟件仿真實際封裝下源極接地的影響

，實際接地及其等效電路如圖4。

利用上麵的方法設計放大器電路圖結構如圖5所示:

優化電路使其滿足設計指標

，選擇實際可以購買到的標稱元件值，代入實際電容
、電感的S參數模型
，再次對微帶線進行優化，當然此時也可以對元件值進行優化，有的廠商提供的數據是可以優化的。接下來進行EM/Circuit Co-Simulation，在ADS的layout中建立微帶線
、連接線、jietoudemoxing，tongguojuliangfajisuanzhexiemoxingbingfengzhuangchengyuanjian，bingbatamendairuyuanlidianluzhongjinxingjisuan

，zaiciweitiaoyuanqijiandezhiheweidaixiandechicun
，cishijietou
、連接線是不能變化的。
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3 測試結果

我們搭建的測試係統和LNA電路如圖6所示，整個電路尺寸為53mm×26mm。測試結果如圖7和圖8所示
，該低噪放在0.5~3GHz UHF頻段內噪聲係數小於1.48，增益大於14.5dB，帶內平坦度為0.5dB左右，輸入輸出回波損耗都大於10dB。由實測結果可以看出本文設計的寬帶LNA基本達到技術指標要求。

結語

本文設計了一款UHF寬kuan帶dai低di噪zao聲sheng放fang大da器qi。在zai原yuan理li電dian路lu的de設she計ji中zhong采cai用yong電dian阻zu並bing聯lian或huo串chuan聯lian電dian容rong的de結jie構gou平ping衡heng增zeng益yi和he穩wen定ding性xing之zhi間jian的de矛mao盾dun，采cai用yong負fu反fan饋kui技ji術shu實shi現xian寬kuan帶dai效xiao應ying
，利li用yong諧xie振zhen單dan元yuan加jia傳chuan輸shu線xian來lai平ping衡heng噪zao聲sheng和he增zeng益yi之zhi間jian的de矛mao盾dun，采cai用yong實shi際ji封feng裝zhuang接jie地di的de全quan波bo仿fang真zhen保bao證zheng了le設she計ji結jie果guo和he仿fang真zhen結jie果guo的de吻wen合he。

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