低噪声放大器的两种设计方法

低噪声放大器(LNA)是射频收发机的一个重要组成部分，它能有效提高接收机的接收灵敏度，进而提高收发机的传输距离。因此低噪声放大器的设计是否良好，关系到整个通信系统的通信质量。本文以晶体管ATF-54143为例，说明两种不同低噪声放大器的设计方法，其频率范围为2～2．2 GHz；晶体管工作电压为3 V；工作电流为40 mA；输入输出阻抗为50 Ω。

1 定性分析
1．1 晶体管的建模
通过网络可以查阅晶体管生产厂商的相关资料，可以下载厂商提供的该款晶体管模型，也可以根据实际需要下载该管的S2P文件。本例采用直接将该管的S2P文件导入到软件中，利用S参数为模型设计电路。如果是第一次导入，则可以利用模块S-Params进行S参数仿真，观察得到的S参数与S2P文件提供的数据是否相同，同时，测量晶体管的输入阻抗与对应的最小噪声系数，以及判断晶体管的稳定性等，为下一步骤做好准备。
1．2 晶体管的稳定性
对电路完成S参数仿真后，可以得到输入／输出端的mu在频率2～2．2 GHz之间均小于1，根据射频相关理论，晶体管是不稳定的。通过在输出端并联一个10 Ω和5 pF的电容，m2和m3的值均大于1，如图1，图2所示。晶体管实现了在带宽内条件稳定，并且测得在2．1 GHz时的输入阻抗为16．827-j16．041。同时发现，由于在输出端加入了电阻，使得Fmin由0．48增大到0．573，Γopt为0．329∠125．99°，Zopt=(30．007+j17．754)Ω。其中，Γopt是最佳信源反射系数。

1．3 制定方案
如图3所示，将可用增益圆族与噪声系数圆族画在同一个Γs平面上。通过分析可知，如果可用增益圆通过最佳噪声系数所在点的位置，并根据该点来进行输入端电路匹配的话，此时对于LNA而言，噪声系数是最小的，但是其增益并没有达到最佳放大。因此它是通过牺牲可用增益来换取的。在这种情况下，该晶体管增益可以达到14 dB左右，Fmin大约为0．48，如图3所示。

另一种方案是在可用增益和噪声系数之间取得平衡，以尽可能用小噪声匹配为目标，采用在兼顾增益前提下的设计方案。在这种情况下该晶体管增益大约为15 dB左右，Fmin大约为0．7(见图3)。这个就是本文中提到的第2种方案。

2 以最佳噪声系数为设计目标方案的仿真
2．1 输入匹配电路设计
对于低噪声放大器，为了获得最小的噪声系数，Γs有个最佳Γopt系数值，此时LNA达到最小噪声系数，即达到最佳噪声匹配状态。当匹配状态偏离最佳位置时，LNA的噪声系数将增大。前面定性分析中已经获得Γopt=0．329∠125．99°，以及对应的Zopt=30．007+j17．754 Ω。下面可以利用ADS的Passive Circuit／Micorstrip ControlWindow这个工具，自动生成输入端口的匹配电路。
在原理图中添加一个DA_SSMatehl的智能模块，然后修改其中的设置：F=2．1 GHz，Zin=50 Ω。值得注意的是，利用该工具生成匹配电路时，Zload是Zopt的共轭。设置完毕后，再添加一个MSub的控件，该控件主要用于描述基板的基本信息，修改其中的设置为H=0．8 mm，Er=4．3，Mur=1，Cond=5．88×107，Hu=1．0e+33 mm，T=0．03 mil。设置完后，即可进行自动匹配电路的生成，结果电路如图4所示。