射频低噪声放大器设计与仿真
王振朝1，种少飞1，韦子辉2，田晓燕1，陈 雷1
【摘 要】【摘 要】为了提高接收机接收灵敏度及通信距离，设计了一种433 MHz频段两级低噪声放大器。使用了一种在集电极串联感性反馈，使放大管处于绝对稳定状态的方法，采用等噪声圆及等功率圆进行了低噪声放大器的仿真设计，分析了放大管的稳定性、噪声系数、增益等参数。仿真及测试结果表明低噪声放大器在433 MHz频段，噪声系数＜0.6 dB，输入输出驻波比＜1.5，增益＞26 dB，将设计的低噪声放大器应用在433 MHz通信模块中，通信距离有显著提高。
【期刊名称】电视技术 【年(卷),期】2014(038)005 【总页数】5
【关键词】【关键词】低噪声放大器;ADS;计算机仿真
低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)是射频接收设备中的关键部件，主要用于放大接收信号从而提高接收机灵敏度及通信距离。LNA设计的难点在于需要考虑噪声系数、增益及稳定性等参数，处于绝对稳定状态且具有低噪声系数和较高增益的LNA是提高接收机接收灵敏度及通信距离的关键手段［1］。 本文以433 MHz频段为例并结合ADS(Advanced Design System)软件详细介绍了两级低噪声放大器完整的设计方法，完成了低噪声放大器的设计及仿真，并在433 MHz频段对低噪声放大器进行了实际测试。结果表明，在ADF7021射频收发芯片接收端加入设计的LNA后，提高了接收灵敏度，通信距离得到显著提高。
1 低噪声放大器的设计理论
放大器的性能指标主要是增益、稳定性、噪声系数、输入输出驻波比等，其中噪声系数及稳定性对接收系统影响较大。 1.1 稳定性分析
在工作频段内的稳定性是在设计LNA时首先要考虑的问题。放大器由于内部S12产生的反馈，可能使LNA工作在不稳定状态下，这会发生自激导致LNA不能正常工作［2］。因此，首先要判断LNA是否绝对稳定，判断LNA绝对稳定的条件为［3］
式中:K，B为稳定因数;S11为输入端反射系数;S22为输出端反射系数;S12为输入端匹配时输出端到输入端传输系数;S21为输出端匹配时输入端到输出端传输系数。
若根据放大管数据手册中的S参数并结合式(1)或式(2)计算来判断稳定性，则过程复杂。在ADS中利用稳定性判定系数Stab_face(s)或Stab_meas(s)可以直接对放大管进行稳定性分析，当Stab_face(s)＞1或Stab_meas(s)＞0时放大管处于绝对稳定状态［4］。当放大器处于不稳定状态时，可以采用在输入、输出端串联或并联小电阻，或引入负反馈电路等方法提高放大器的稳定性。但是前者会恶化噪声系数、降低放大器增益［5］。本文采用的是在放大管的集电极引入感性反馈的方法。
1.2 最小噪声系数和最大增益分析
低噪声放大电路的噪声系数和增益是衡量放大器性能的两个重要指标。按最佳噪声匹配得到的放大器的噪声系数最小，此时为最佳噪声匹配;按最大增益匹配得到的放大器的增益最大，此时为最大功率传输匹配。但这两者是相互矛盾的，
因此设计低噪声放大器时需要权衡利弊得到最佳的设计方案。 多个放大管级联时的噪声系数为［6］
式中:Nfn为第n级放大管噪声系数;Gn为第n级放大管增益。
由式(3)可知，低噪声放大器的噪声系数主要取决于第一级放大管的噪声系数。综合考虑最小噪声系数和最大增益要求，本文采用的设计方案为:第一级输入端采用最佳噪声匹配，级间和第二级输出采用最大功率传输匹配。同时设计合适的第一级放大管的偏置和反馈电路以适当提高其增益，减小第二级放大管对噪声系数的影响。这样既保证了低噪声放大器小噪声系数的要求，也保证了放大电路增益的要求。图1为低噪声放大器整体框图。
2 低噪声放大器设计与仿真
为改善远距离通信效果，低噪声放大电路必须有较高增益和很低的噪声系数，为提高增益低噪声放大器采用两级放大管级联结构。一级放大管选用NEC公司的2SC3356，二级放大管选用PHILIPS公司的BFR520，前者噪声低、线性度好，而后者输出功率高。两者综合使用，可以达到较高增益。低噪声放大器的设计主要包括:偏置电路设计、稳定性分析、匹配网络设计与电路优化与仿真。 2.1 偏置电路设计及稳定性分析
偏置电路对于放大管至关重要，直接影响着放大管的工作状态。在ADS中导入放大管的S参数模型，并进行直流仿真，选择合适的直流工作点。本设计选择2个放大管的工作点为:VCE=3.3 V，IC=10 mA。根据确定的工作点设计偏置电路，并在放大管的直流和交流通路之间加入隔直电容和扼流电感，以更好地稳定静态工作点。为了使稳定判别系数K在工作频点大于1，本文在放大管的集电极加入反馈电感以保证放大管的绝对稳定。加入偏置和反馈电路如图2所
射频低噪声放大器设计与仿真
