UHF低噪声放大器的简化设计方案

1、UHF低噪声放大器的简化设计李平辉南京理工大学通信工程学院微波教研室摘要：低噪声放大器(LNA)是通信系统射频前端的重要组成。本文给出了一种低噪声放大器的简单设计方法，即选用阻性负 载法对电路进行稳定化处理，并在此基础上设计匹配电路。实践证明该方法简单、有效，且成本极低。关键字：低噪声放大器Design method for a UHF simple LNALi Ping HuiDepartment of Satellite Communication ICE, PLAUST, Nan Jing 210007, ChinaAbstract: This paper present a simpl

2、e structure for a UHF LNA. The design procedure and example are given.Key Words: LNA1引言射频接收前端电路主要包括低噪声放大器、下变 频器和本振源组成。前端电路设计的依据是整机系统 指标，如接收机的灵敏度、动态范围以及对带外干扰 信号抑制的能力等等。UHF频段从300MHz 3000MHz，是当前无线通 信应用比较集中的一个频段，如WLAN、GPS、GSM等等，所以该频段对射频模块电路的需求量大。UHF低噪声放大器的设计除电性能的要求外，还希望其低 成本和可批量生产。本文介绍低成本UHF低噪声放大器的设计方法，

3、 给岀了一个实例，其工作的中心频率为400MHz，设计结果满足了预期的要求。2低噪声放大器指标与设计流程低噪声放大器主要参数：工作频率f及带宽 f ；噪声系数NF;增益G及增益平坦度； 输入输岀反射系数(VSWR );动态范围；联系方式：。LNA电路设计的基本流程：低噪声放大器的主要指标是噪声系数，但随着人们对频率资源的不断开发与利用，空间电磁环境更加 复杂，所以LNA的动态范围也成一个重要指标。在UHF频段，低噪声放大器的器件可以用GaAsFET、HEMT、pHEMT、BJT，其中双极晶体管 BJT 的性价比最好。近年来，高迁移率晶体管pHEMT以其 极低的噪声性能和高的动态范围更倍受重视。

4、3稳定性处理的措施放大器电路必须满足的首要条件之一是在其工 作频段内的稳定性，否则电路在一定的条件下有产生 振荡的趋势，绝对稳定的条件用器件的S参数表示如下：S1 1(2)2S12IS21I其中：- S11S2 S12S21(3)大多数的器件在 UHF频段都是不稳定的，即K1，图2反馈方法而后者电路简单，且频响好，但放大器的功率输岀能 力下降，致使LNA电路的动态范围减小。 若采用后者, 需要对LNA电路的各指标进行折衷。图1低噪声放大器的设计流程4阻性负载法处理的过程在设计中，选用 Agile nt公司的低噪声BJT器件 AT-41511 ,选用阻性负载的方法对其进行稳定化处 理，在保证噪声

5、系数满足要求的情况下达到稳定化。图4.给岀了设计中采用的稳定措施的结果，这 里只用一个负载电阻来实现，这一电路在文献中很少 岀现，处理的重点是对 NF和PidB的折衷。L1 111*图3阻性负载图4本文所采用的形式A.确定工作点选定器件之后，首先针对器件的特性与直流偏置 关系进行扫描分析，包括噪声系数、P-1dB与基极电流、集电极电压之间的变化情况，AT41511的器件参数包括spice模型及S参数取自厂家的产品手册，分析结果 如下：图5噪声系数随直流偏置的变化若要求 NF=1dB、P-1dB=-8 dBm，则可选 lb=30uA， 而VCE在3V至5V之间均可。图6 P-wb随直流偏置的变化

6、B.确定阻性负载这里仅在集电极加一个50欧姆的直流偏置电阻使器件稳定化。加入 50欧姆电阻后的噪声系数、 2他 随直流偏置的变化不大，lb=30uA ,Vce在3V至5V之间， 仍接近NF=1dB、P-idB=-8 dBm，这是因为50欧姆，电 阻值小，Vce压降变化就小。这样一个电路在使电路稳定的同时，带来了额外 的一个好处，即电路的输岀大端的反射系数已经很 小，400MHz时S22=-17.47dB ,无须对输岀端设计匹配 电路。1.17dB 增加至 1.28dB。5输入输出匹配电路的设计匹配电路的拓扑结构图 9所示，这里由于输岀采 用了阻性稳定的措施，输出端的回波损耗已小于 -19dB，

7、故输岀端无匹配电路，这也使电路得到简化。 输入端则采用两元件 LC结构，对LC两变量进行优化， 使整个电路达到设计要求。该优化过程的目标有三个 G、NF、S11，是多目 标优化问题，需对目标函数进行加权。在LNA设计中NF小，需要最佳噪声匹配，S11小需要的是共扼匹配，所以 NF与S11是一对矛盾，这里 也必须对二者进行择衷。由于频率低，设计中不计入实际实现的一些分布 参数的影响，如过孔等；R、L、C等元件采用理想模型。最后的电路实现中，进一步优化，输入端的电感是采用细微带线段等效来实现，电路板采用FR4材料。2.50.50.3_ K *u K *opent415113d 11open21.5

8、10.450.50.350.4Frequency (GHz)SUBCKTID= S1图7稳定前后的稳定因子K曲线Graph 1图8稳定措施前后的噪声系数曲线SUBCKTID=S1NET=t415113c图9匹配电路的拓扑结构设计的结果如下：1.47MSUBEr=4.5H=1.016 mmT=0.03556 mmRho=1Tand=0ErNom4.5Name=SUB1图8示岀了采用稳定措施前后的噪声系数曲线，经过稳定处理后，在400MHz处，最小噪声系数从1.43 DB(NF) * |D寸0-4? |0.39994 GHzbD0.5T1.4478 dBGraph 11.461.451.440.3

9、950.40.4050.41Frequency (GHz)图10放大器噪声系数曲线0.39Graph 3-10图11放大器增益曲线图反射系数曲线18.7jj- rDB(|S2,1|) *Graph 218.618.518.418.30.4050.410.3950.4Frequency (GHz)18.20.39参考文献1 George D. Vendelin Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques. NewYork:Wiley,1990 Chapter 2.2 Reinhold Ludwig射频电路设计一理论与应用电