2～4 GHz波段低噪声放大器的仿真设计

摘要：利用pHEMT工艺设计了一个2～4 GHz宽带微波单片低噪声放大器电路。本设计中采用了具有低噪声、较高关联增益、pHEMT技术设计的ATF-54143晶体管，电路采用二级级联放大的结构形式，利用微带电路实现输入输出和级间匹配，通过ADS软件提供的功能模块和优化环境对电路增益、噪声系数、驻波比、稳定系数等特性进行了研究设计，最终使得该LNA在2～4 GHz波段内增益大于20 dB，噪声小于1．2 dB，输出电压驻波比小于2，达到了设计指标的要求。
关键词：低噪声放大器；负反馈网络；pHEMT；ADS仿真

微波低噪声放大器作为现代电子通信系统中重要组成器件，对整个通信接收系统的接收灵敏度和噪声性能起着决定性作用。随着半导体技术和宽带无线通信系统的发展，低噪声放大器向着更低噪声系数、更宽工作带宽和更高输出功率方向发展，并逐渐成为设计的热点。因此，研究设计出高性能的低噪声放大器具有十分重要的意义。由于高电子迁移率晶体管具有高频率、低噪声、大功率等一系列优点，所以用pHEMT制作的多级低噪声放大器已广泛应用于卫星接收系统、电子系统及雷达系统。

1 器件选择
本文选择标准元器件库中pHEMT晶体管、电阻、电容和微带线等无源元件作为设计的参数模型进行电路设计。由于电路增益要求大于20 dB，单级pHEMT功率增益在10 dB左右，考虑到工作频率很高，如匹配不当会造成级间损耗比较严重，所以采用二级放大。由于宽带设计，所以重点对这一频段的电路结构和参数进行设计和优化。
宽带放大器的实现方案有多种，如反馈式、分布式、有耗匹配式、平衡式以及近年来出现的级联分布式(CSSDA)宽带放大器等。各种方案有不同的优缺点及其应用场合，因为反触同时获得较宽工作带宽和较好的输入输出驻波比，所以馈式宽带放大器应用较多。但是对于低噪声放大器的设计而言，阻性反馈网络的引入会使噪声系数恶化。由于级联系统的噪声系数主要由第一级放大链路决定，后级的噪声系数对系统的噪声性能影响相对较小。考虑到低噪声的设计，设计的两级级联放大器中第一级按照最小噪声系数的原则进行设计，实现拓展低噪声放大器的工作频带；第二级中引入漏极到栅极的负反馈网络，从而使得在整个工作频段内增益较平坦。

式(2)是二端口放大器的噪声系数的表达式，其中Ys=Gs+jBs表示呈现在晶体管处的源导纳，Yopt表示得出最小噪声系数的最佳源导纳，NFmin表示当YS=Yopt时获得的晶体管的最小噪声系数，RN表示晶体管的等效噪声电阻，Gs表示源导纳的实部。由式(2)可知，若选择具有较小的RN值的晶体管，在Ys≠Yopt的条件下，电路整体能够获得相对较小的噪声系数。ATF-54143在VDS=3 V，IDS=40 mA的偏置状态下，其在2～4 GHz的频率范围内，可获得较低的噪声系数和输入驻波比。
另外考虑到本设计放大器的增益指标要求达到20 dB，所以电路要采用两级放大器来实现。

2 直流偏置以及电路设计
放大器的直流偏置网络决定了晶体管的工作状态，而且对匹配电路的结构有很大影响，需要在电路设计之初就认真考虑。对pHEMT放大器，一种比较常见的偏置方法是：给pHEMT漏级加一个正电压，即采取单电源供电方式。本文采用的是图1所示自偏置结构，栅极通过微带线接地，源极接电阻R以获得高于栅极的电位。该结构的优点是采用单电源供电，使电路在使用中更为简便。电路要求电源电压为3．6 V，通过适当选择源极电阻R，令源极电位为0．6 V左右。

根据噪声理论，放大器的噪声系数主要由第一级放大器的噪声系数决定，设计第一级放大器的输入匹配网络通常采用最小噪声系数原则。在设计在级间匹配网络时，要使前级输入阻抗与后级输出阻抗匹配，同时后级晶体管获得较大的增益和较低的噪声系数。综合考虑为了获得较好匹配，通常采用多节微带线匹配。输出匹配电路设计主要考虑增益和驻波比，把微波管复数输出阻抗匹配到负载实数阻抗。优化设计根据此理论，可以实现很小的噪声系数同时兼顾增益。