【文章內(nèi)容簡介】 ll???? (27) 反射系數(shù) 放射系數(shù)是端口輸入電壓與輸出電壓的比值， 表達公式為： ? = uu?? (28) 當Γ s = Γ opt 時，放大器的噪聲系數(shù)最小， NF=NFmin ，但此時從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜?，輸入端是失配的，所以放大器的功率增益會降低，但有?時候為了獲得最小噪聲，適當?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯笃髟O計中經(jīng)常采用的一種 辦法。 放大器的動態(tài)范圍（ IIP3） 在低噪聲放大器的設計中，應充分考慮整個接收機的動態(tài)范圍，以免在接收機后級造成嚴重的非線性失真，一般應選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點 IIP3較高一點，至少比最大輸入信號高 30dB，以免大信號輸入時產(chǎn)生非線性失真。 除以上各項外，低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內(nèi)的增益平坦度等指標也很重要，設計時要認真考慮。 低噪聲放大器設計設計的基本原則 低噪聲放 大管的選擇原則 對微波電路中應用的低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達到幾個千兆噪聲系數(shù)為幾個分貝，而砷化鎵小信號的場效應管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在 1 分貝以下。 我們在選取低噪聲放大器管通常可以從以下幾個方面進行考慮： 1） 微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小工作頻段足夠高，晶體管的 fT 一般要比工作頻率高 4 倍以上，現(xiàn)在 PHEMT 場效應管的噪聲系數(shù)在 2GHz 可在 左右，工作頻率高端可達到 6GHz。 2）微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動態(tài)范圍 ,一般要求放大器工作增益大于 10dB 以上 , 當輸入信號達到系統(tǒng)最大值時由放大器非線性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲，對于 ZXPCS 大基站項目由于最大輸入信號小于44dBm，考慮到放大器 13dB 左右增益，我們選取了 ATF34143 場效應管它的增益可達 15dB， OIP3 為 30dBm左右。 輸入輸出匹配電路的設計原則 對于單級晶體管放大器的噪聲系數(shù)，可以將 表達式 ? ?222m in 1 14s o p ts o p tN F R? ? ??? ? ? (29) 化成一個圓的表達式，即等噪聲系數(shù)圓。圓上每一點代表一個能產(chǎn)生恒定噪聲系數(shù) NF 的源反射系數(shù)。如要獲得需要的噪聲系數(shù)，只要在圓圖上畫出對應于這個噪聲系數(shù)的圓，然后將源阻抗匹配到這個圓上的一個點就行了。實際設計中由于要兼顧到放大器的增益，通常我們不取最小噪聲系數(shù)。在對放大器進行單項化設計時（假定 S12＝ 0），轉(zhuǎn)移功率增益 GT可以由如下公式表示 ： GT=G0G1G2 （ 211） 其中 G0= 211S ， G1 = 2211 1111 S????， G2= 2222 2211 S???? ， 對于特定的晶體管 S1 S22是確定的，不同的源反射系數(shù)Γ 1 和負載反射系數(shù)Γ 2 ，可以構(gòu)成恒定增益圓，設計時只須將源和負載反射系數(shù)分別匹配到相應的圓上，便能得到相應的增益。將恒定增益圓與等噪聲系數(shù)圓結(jié)合起來設計，便能得到比較理想的結(jié)果。另外設計中還要注意增益平坦設計主要是高端共軛匹配，低端校正，一般還需在多個中間頻率上進行增益規(guī)定性校驗，在高頻應用時由于微波晶體管本身的增益 一般隨著頻率的升高而降低，為了保證電路在低頻率段的增益恒定和穩(wěn)定性可以 考慮在輸入輸出端采用高通匹配方式。 在以上的討論中我們忽略了晶體管的反向傳輸系數(shù)，實際中微波場效應晶體 管和雙極性晶體管都存在內(nèi)部反饋，微波管的 S12就表示內(nèi)部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)。 S12 越大，內(nèi)部反饋越強，反饋量達到一定強度時，將會引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激振蕩。微波管的 S21代表電壓波的正向傳輸系數(shù)，也就是放大倍數(shù)。 S21 越大，則放大以后的功率越強。在同樣的反饋系數(shù) S12 的情況下， S21 越大當然反饋的功率也越 強，因此 S21 也影響放大器的穩(wěn)定性。 一個微波管的射頻絕對穩(wěn)定條件是 ： 22 21 1 2 21 2 2 11 2SSSS ?? （ △ =|S11*S22S12*S21| ） （ 212） 2 12 2111 1S S S?? ， 2 12 2122 1S S S?? K 稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)， K 大于 1 是穩(wěn)定狀態(tài)，只有當式中的三個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩(wěn)定的。實際設計時為了保證低噪聲放大器穩(wěn)定工作還要注意使放大器避開潛在不穩(wěn)定區(qū)。 為改善微波管自身穩(wěn)定 性，有以下幾種方式： 1）串接阻抗負反饋 在 MESFET 的源極和地之間串接一個阻抗元件，從而構(gòu)成負反饋電路。對于雙極晶體管則是在發(fā)射極經(jīng)反饋元件接地。在實際的微波放大器電路中，電路尺寸很小，外接阻抗元件難以實現(xiàn)，因此反饋元件常用一段微帶線來代替，它相當于電感性元件的負反饋。 2） 用鐵氧體隔離器 鐵氧體隔離器應該加在天線與放大器之間，假定鐵氧體隔離器的正向功率衰減微為 ?，反向功率衰減為 ?，且 ??1， ??1。則 ? ＝ 0??? ?0 為加隔離器前的反射系數(shù)， ? 為加隔離器后的反射系數(shù)。 用以改善穩(wěn)定性的隔離器應該具有的特性是： (1) 頻帶必須很寬，要能夠覆蓋低噪聲放大器不穩(wěn)定頻率范圍； (2) 反向隔離度并不要求太高； (3) 正向衰減只需保證工作頻帶之內(nèi)有較小衰減，以免影響整機噪聲系數(shù)，而工作頻帶外，則沒有要求。 (4) 隔離器本身端口駐波比要小。 3）穩(wěn)定衰減器 ? 型阻性衰減器是一種簡易可行的改善放大器穩(wěn)定性的措施， 通常接在低 噪聲 放大器末級輸出口，有時也可以加在低噪聲放大器內(nèi)的級間，由于衰減器是阻型衰減，不能加在輸入口或前級的級間，以免影響噪聲系數(shù)。在不少情況下，放大器輸出口潛在不穩(wěn)定區(qū)較大，在輸出端加 ? 型阻性衰減器，對改善穩(wěn)定性 相當有效。 三、 低噪聲放大器的設計 放大器設計的主要流程 選擇晶體管 S 參 數(shù)，噪聲參數(shù)，功率輸出，價格 計算 K 值 K1 計算 Gma k1 計算增益 Gma 在 TS和 TL 平面內(nèi)畫出不穩(wěn)定區(qū) 假設 S12=0，在頻率 f2設計 M1,M2 在穩(wěn)定區(qū)令增益 Gma，在 f2設計 M1,M2 畫出 TS和 TL多頻率的變化曲線，檢驗穩(wěn)定性 設計直流偏置電路，在檢驗穩(wěn)定性 安排整個放大器電路 核實可實現(xiàn)性 安排光刻 是 否 否 否 否 是 低噪聲放大管的選擇 低噪聲放大器 (LNA)是射頻微波電路接收前端的主要部分，由于他位于接收機的最前端，要求他的噪聲越小越好，但又要求有一定的增益，最小噪聲 和最大增益一般不能同時滿足，獲取最小噪聲和最大功率是矛盾的，一般電路設計總是選擇折中的方案來達到設計的要求，以犧牲一定的增益來獲得最小噪聲，而在射頻微波通信電路中，需要處理微弱的射頻微波信號，因此，討論合適的低噪聲放大器電路的設計具有非常實際的意義。 對微波電路中應用的低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達到幾個千兆噪聲系數(shù)為幾個分貝，而砷化鎵小信號的場效應管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在 1 分貝以下。 我們在選取低噪聲放大器管通?？梢詮囊韵聨讉€方面進行 考慮： 1） 微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小工作頻段足夠高，晶體管的 fT 一般要比工作頻率高 4 倍以上，現(xiàn)在 PHEMT 場效應管的噪聲系數(shù)在 2GHz 可在 左右， 工作頻率高端可達到 6GHz。 2）微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動態(tài)范圍 ,一般要求放大器工作增益大于 10dB 以上 , 當輸入信號達到系統(tǒng)最大值時由放大器非線性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲，對于 ZXPCS 大基站項目由于最大輸入信號小于44dBm，考慮到放大器 13dB 左右增益，我們選取了 ATF34143 場效應管