S波段低噪声放大器的ADS仿真与设计

　　摘要：介绍低噪声放大器设计的理论基础，并重点介绍了低噪声放大器的主要性能指标：噪声系数、功率增益、驻波比、稳定性等。以ATF38143晶体管为例介绍了ADS仿真软件设计低噪声放大器的方法和主要步骤。采用三级级联结构设计出满足指标的S波段低噪声放大器链路。该放大器链路的指标为噪声系数小于1.2，功率增益大于50dB，增益平坦度小于0.5dB，VSWR小于1.8的低噪声放大器，带宽为6MHz，并具有一定的带外抑制能力。

　　引言

　　低噪声放大器(LNA)的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，减少噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据。当今，人们对各种无线通信工具的要求越来越高，如功率辐射要小、作用距离要远、覆盖范围要广等，这就对系统灵敏度提出了更高的要求，而接收机的第一个放大器的噪声对这个系统的灵敏度影响很大。因此，位于射频接收系统前端的LNA的优劣直接影响接收机的整体性能。

　　本文首先介绍了低噪声放大器的基本理论知识和使用ADS仿真的方法流程，然后通过微带单枝节匹配的方式设计一个中心频率为2.226GHz，工作带宽6MHz，噪声系数小于1.2，功率增益大于50dB，增益平坦度小于0.5dB，VSWR小于1.8的低噪声放大器，带外抵制：500MHz~2150MHz@40dBc，2400MHz~4000MHz@40dBc。

　　低噪声放大器的主要性能指标

　　噪声系数

　　噪声系数是低噪声放大器一个主要指标，如果接收机的系统噪声系数过大，信号会被噪声埋没。因此减少放大器噪声系数是LNA的重要设计内容。噪声系数NF的定义如下：式中，NF为射频/微波器件的噪声系数;S_in，N_in分别为输入信号功率和噪声功率;S_out、N_out分别为输出信号的信号功率和噪声系数。单极放大器的噪声系数为　式中NF_min为晶体管最小噪声系数，由放大器的管子本身决定;Γ_opt、R_N、和Γ_s分别为获得NF_min时最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、晶体管输入端的源反射系数。由上式可知当Γ_opt=Γ_s时，噪声系数最小。但这种情况下通常驻波比较大或者增益比较小。因此实际设计中在三者之间取折中以满足放大器的多项设计指标。对多级放大器而言，其噪声系数的计算公式为：NF=NF₁+(NF₂-1)/G₃+(NF₃-1)/G₁G₂+……，其中，NF_n为第n级放大器的噪声系数;G_n为第n级放大器的增益。由上式可知，多级级联放大电路中第一级放大器的噪声系数对整个放大器链路的噪声系数影响最大，所以第一级尽可能选择噪声系数较小，功率增益较高的晶体管。

　　功率增益

　　功率增益是LNA的另一个重要指标之一，可表示为G=P_out-P_in式中：P_out为输出信号功率;P_in为输入信号功率。只有当晶体管的输入输出端与源和负载同时共轭匹配时，放大器才能获得最大的功率增益。

　　放大器的稳定性

　　放大器的稳定性，一个微波管的射频绝对稳定条件是      
        -。K称为稳定性判别系数，K>1是稳定状态。只有当3个条件都满足时才能保证放大器是绝对稳定的。