无线测试工程师知识点分享：基于HP41511的微波低噪声放大器的设计，避免踩坑！

0 引言

随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高。功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，而这也同时对系统的接收灵敏度提出了更高的要求。

1 微波低噪声放大器的作用

一般情况下，一个接收系统的接收灵敏度可由以下计算公式来表示：



由上式可见，在各种特定(带宽BW、解调S／N已定)的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机噪声系数的关键部件则是处于接收机Zui前端的低噪声放大器。

图1所示是接收机射频前端的原理框图。由图1可见，低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以，低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。



2 微波低噪声放大器的主要技术指标

2.1 噪声系数

噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即：



对单级放大器而言，其噪声系数的计算为：



其中Fmin为晶体管Zui小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的，Γopt、Rn和Γs分别为获得Fmin时的源反射系数、晶体管等效噪声电阻以及晶体管输入端的源反射系数。

对多级放大器。其噪声系数的计算应为：



其中NFn为第n级放大器的噪声系数，Gn为第n级放大器的增益。

对噪声系数要求较高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，故常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为：



其中Te为放大器的噪声温度，T0=2900K，NF为放大器的噪声系数。



2.2  放大器增益

放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率之比：

G=Pout／Pin    (7)

通常提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。所以，一般来说，低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。

2.3  反射系数

由式(3)可知，当Γs=Γopt时，放大器的噪声系数Zui小，NF=NFmin，但此时从功率传输的角度来看，输入端会失配，所以，放大器的功率增益会降低，但有些时候，为了获得Zui小噪声，适当的牺牲一些增益也是低噪声放大器设计中经常采用的一种办法。

另外，低噪声放大器的输入输出驻波比、动态范围、工作频率、工作带宽及带内增益平坦度等指标也很重要，设计时也需加以考虑。

3  电路仿真设计

本电路设计要求的频率范围为1.95～2.05GHz，噪声系数：为Nf应小于2 dB，带内增益为G大于10 dB，输入，输出阻抗为50Ω。现以上述指标来进行电路晶体管的选择以及ADS仿真。

3.1  晶体管的选择

根据放大器的性能要求，本设计选用HP公司的AT-41511作为核心器件来进行设计。由于在ADS软件中包含有这种型号晶体管的器件模型，因此，在设计和仿真过程中可以直接使用，而不必再自己建造器件模型。

3.2 ADS仿真综合指标的实现

仿真时，可将噪声系数、放大器增益、稳定系数全部加入优化目标中进行优化，并通过对带内放大器增益的限制来满足增益平坦度指标，Zui终达到各个指标要求。反复调整优化方法并优化目标中的权重(Weight)，也可以对输入匹配网络进行优化。但是，对部分电路指标的优化也可能导致其它某些指标的恶化，此时可以根据需要增加一些优化变量。

图2所示是经过一次随机优化的S参数图。



仿真结果表明，该电路基本上已经达到了比较好的性能，且具有良好的输入输出匹配，较高的增益和稳定系数，同时噪声系数也比较好。

3.3  封装模型仿真设计

进行完sp模型设计以后，还需要将sp模型替换为封装模型来做进一步设计。具体需要进行的工作如下：

(1)将sp模型替换为封装模型；

(2)选择直流工作点并添加偏置电压；

(3)进行馈电电路的设计(电阻分压、扇形线、高阻线等的使用)；

(4)替换为封装模型后各项参数可能会有所变化，如不满足技术指标，还可以对封装模型的原理图再进行仿真优化。

设计封装模型时。可用图3所示的电路来对器件的I-V特性进行仿真，以选择其直流工作点。



在设计偏置电路时，为了防止交流信号对直流电源的影响，可在电源与馈电点之间添加1／4波长的高阻线以遏制交流信号。如果电路中有终端短路的微带线，为了避免直流短路，还应在接地端插入隔直电容。

4  结束语

从仿真设计的过程可以看到，使用Agilent公司的ADS软件进行射频电路设计、仿真和优化是非常方便的。它含有丰富原理图模型库、多种仿真分析方式和一系列使用简便而功能强大的设计工具。这都可使复杂的射频电路设计工作变得简便快捷，省去了大量人工计算设计的过程，提高了设计工作效率。本文给出的微波低噪声放大器的设计还是比较成功的，基本达到了指标要求。