【文章內(nèi)容簡介】 R= 11 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(dāng)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)慕嵌葋砜矗斎攵耸鞘涞?，所以放大器的功率增益?降低，但有些時候為了獲得最小噪聲，適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯笃髟O(shè)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(shè)計中，應(yīng)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(yán)重的非線性失真，一般應(yīng)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(biāo)也很重要，設(shè)計時要認(rèn)真考慮。 低噪聲放大器設(shè)計設(shè)計的基本原則 低噪聲放大管的選擇原則 對微波電路中應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)管它的增益可達 15dB， OIP3 為 30dBm左右。 輸入輸出匹配電路的設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(fù)載反射系數(shù)Γ 2 ，可以構(gòu)成恒定增益圓，設(shè)計時只須將源和負(fù)載反射系數(shù)分別匹配到相應(yīng)的圓上，便能得到相應(yīng)的增益。將恒定增益圓與等噪聲系數(shù)圓結(jié)合起來設(shè)計，便能得到比較理想的結(jié)果。另外設(shè)計中還要注意增益平坦設(shè)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(shè)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(fù)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(fù)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(dāng)于電感性元件的負(fù)反饋。 2） 用鐵氧體隔離器 鐵氧體隔離器應(yīng)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(yīng)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(dāng)有效。 三、 低噪聲放大器的設(shè)計 放大器設(shè)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(shè) S12=0，在頻率 f2設(shè)計 M1,M2 在穩(wěn)定區(qū)令增益 Gma，在 f2設(shè)計 M1,M2 畫出 TS和 TL多頻率的變化曲線，檢驗穩(wěn)定性 設(shè)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(shè)計總是選擇折中的方案來達到設(shè)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(shè)計具有非常實際的意義。 對微波電路中應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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