低噪声放大器设计指南

3.2、输入输出匹配电路的设计原则

对于单级晶体管放大器的噪声系数，如上式（3）所示，式（3）可以化成一个圆的表达式，即等噪声系数圆。圆上每一点代表一个能产生恒定噪声系数NF的源反射系数。如要获得需要的噪声系数，只要在圆图上画出对应于这个噪声系数的圆，然后将源阻抗匹配到这个圆上的一个点就行了。 实际设计中由于要兼顾到放大器的增益，通常我们不取最小噪声系数。在对放大器进行单项化设计时（假定S₁₂＝0），转移功率增益GT可以由如下公式表示：

对于特定的晶体管S₁₁、S₂₂是确定的， 不同的源反射系数Γ₁ 和负载反射系数Γ₂ ，可以构成恒定增益圆，设计时只须将源和负载反射系数分别匹配到相应的圆上，便能得到相应的增益。将恒定增益圆与等噪声系数圆结合起来设计，便能得到比较理想的结果。另外设计中还要注意增益平坦设计主要是高端共轭匹配，低端校正，一般还需在多个中间频率上进行增益规定性校验，在高频应用时由于微波晶体管本身的增益一般随着频率的升高而降低，为了保证电路在低频率段的增益恒定和稳定性可以考虑在输入输出端采用高通匹配方式。

在以上的讨论中我们忽略了晶体管的反向传输系数，实际中微波场效应晶体管和双极性晶体管都存在内部反馈，微波管的S₁₂就表示内部反馈量，它是电压波的反向传输系数。S₁₂越大，内部反馈越强，反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚至产生自激振荡。微波管的S₂₁代表电压波的正向传输系数，也就是放大倍数。S₂₁越大，则放大以后的功率越强。在同样的反馈系数S₁₂的情况下，S₂₁越大当然反馈的功率也越强，因此S₂₁也影响放大器的稳定性。

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大于1是稳定状态，只有当式（2－4）中的三个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。

实际设计时为了保证低噪声放大器稳定工作还要注意使放大器避开潜在不稳定区。

为改善微波管自身稳定性，有以下几种方式：

1）串接阻抗负反馈

在MES FET的源极和地之间串接一个阻抗元件，从而构成负反馈电路。对于双极晶体管则是在发射极经反馈元件接地。在实际的微波放大器电路中，电路尺寸很小，外接阻抗元件难以实现，因此反馈元件常用一段微带线来代替，它相当于电感性元件的负反馈。

2） 用铁氧体隔离器

铁氧体隔离器应该加在天线与放大器之间，假定铁氧体隔离器的正向功率衰减微为α，反向功率衰减为β，且α≥1，β>1。则

Γ₀为加隔离器前的反射系数，Γ为加隔离器后的反射系数。

用以改善稳定性的隔离器应该具有的特性是：
(1) 频带必须很宽，要能够覆盖低噪声放大器不稳定频率范围；
(2) 反向隔离度并不要求太高；
(3) 正向衰减只需保证工作频带之内有较小衰减，以免影响整机噪声系数，而工作频带外，则没有要求。
(4) 隔离器本身端口驻波比要小。

3）稳定衰减器

Π型阻性衰减器是一种简易可行的改善放大器稳定性的措施，通常接在低噪声放大器末级输出口，有时也可以加在低噪声放大器内的级间，由于衰减器是阻型衰减，不能加在输入口或前级的级间，以免影响噪声系数。在不少情况下，放大器输出口潜在不稳定区较大，在输出端加Π型阻性衰减器，对改善稳定性相当有效。

3.3、电路中需要注意的一些问题

一般对于低噪声放大器采用高Q值的电感完成偏置和匹配功能，由于电阻会产生附加的热噪声，放大器的输入端应尽量避免直接连接到偏置电阻上。

用于低噪声放大器的印制板应具有损耗小，易于加工，性质稳定的特点，材料的物理和电气性能均匀（特别是介电常数和厚度），同时对材料的表面光洁度有一定要求，通常我们可以采用以FR-4（介电常数4~5之间），为基片的板材，如电路要求较高可采用以氧化铝陶瓷等材料为基片的微波板材，在PCB布板中则要考虑到邻近相关电路的影响，注意滤波、接地和外电路干扰问题设计中要满足电磁兼容设计原则。

4、目前低噪声放大器方面的设计手段。

目前低噪声放大器的设计普遍采用CAD的方法进行仿真，国内较流行的有EESOF、MWOffice ADS等软件。相对而言Agilent 公司的ADS 功能强大、简明直观应用范围较广，我公司的LNA基本上都采用了ADS进行了仿真效果良好。

5、目前同行业低噪放的发展水平

随着半导体器件的发展，低噪声放大器的性能不断提高，采用PHEMT 场效应晶体管的低噪声放大器的在800MHz 频段噪声系数可达到0.4dB,增益约17dB左右，1900MHz频段噪声系数可达到0.6增益为15dB左右。