宽频带低噪声放大器设计

摘要：采用Lange耦合器的宽频带特性设计L／S波段平衡式低噪声放大器电路，并通过仿真设计软件对放大器的工作频带、噪声系数、增益及输入、输出驻波比等几个重要指标进行优化。最后设计的放大器在1．2～2．5 GHz频率范围内增益为33～35 dB，噪声系数不大于1 dB，输入输出驻波比小于1．5，达到了预定的技术指标要求，性能良好。
关键词：宽频带；低噪声放大器；Lange耦合器；平衡式放大器

0 引言
宽频带低噪声放大器(Broadband Low Noise Amplitier，BBLNA)是通信、测控等接收系统的关键部件，它的噪声系数、增益及频响特性等指标直接影响着接收系统的主要性能。因此在宽频带接收系统领域，宽频带低噪声放大器的设计将具有非常广阔的市场前景。各种低噪声器件的功率增益都是随着频率的升高而降低，以每倍频程大约3～5 dB规律下降。为获得较宽又较平坦的频响特性，就必须对增益滚降进行补偿。可是有意降低低频段的增益必然使输入、输出驻波比变坏，同时噪声系数也将变大。但是对于宽频带低噪声放大器来说，一般不可能使用隔离器来改善驻波比。另外，低噪声器件的输入、输出阻抗也随频率有较大变化，更增加了匹配电路的复杂性。尽管宽频带低噪声放大器的电路结构有多种形式，但采用Lange耦合器设计的平衡式放大器有噪声方面的优点，其噪声系数与单端低噪声放大器差不多，而在设计匹配电路时，可以完全按照最佳噪声匹配设计，不必兼顾输入、输出驻波比。因此选择平衡式电路结构来进行宽频带低噪声放大器的设计。

1 设计原理
平衡式宽频带低噪声放大器由两只低噪声器件和两个Lange耦合器组成，其中两支低噪声器件及其匹配电路网络完全一致，减小了匹配电路计算的复杂性，输入、输出驻波比好，噪声小，工作频带可达1～2倍频程。

2 Lange耦合器
Lange耦合器又称90°三分贝电桥，其结构示意图如图1所示，在宽频带和紧耦合特性上比其他耦合器有非常突出的优势。设计思路是利用几条耦合线彼此平行，使得线的两边都产生耦合从而实现紧耦合，并通过补偿相速达到改善带宽。常用的微波电路仿真软件几乎都建有典型模型，以便于辅助设计。

3 设计原理
平衡式宽频带低噪声放大器原理图见图2，若输入射频信号fin的功率和相位分别为P和0°，经Lange耦合器等分为P1，P2两部分。P1相位为-90°，P2相位为-180°，分别由两只经过配对的低噪声器件放大。由于匹配电路一致，增益G相同，传输相移皆改变180°，放大后的两路信号分别为GP1，GP2，GP1相位为-270°，GP2相位为0°。两路信号再经耦合器合成后，在B4端口GP1，GP2大小相等，相位相差180°，没有功率输出；在B1端口GP1，GP2相位相同，两部分功率叠加输出fout，其大小为GP1+GP2=G(P1+P2)=GP。即在理想状态下，平衡式宽频带低噪声放大器的增益等于单只低噪声器件的增益。