超高频窄带单级低噪声放大器的设计

吴志毅，孙建华

（1.四川信息职业技术学院 四川 广元 620840；2.成都天宇宝通有限公司 四川 成都 611731）

随着科技现代工业化的普及，工业噪声、自然界的噪声到处冲满我们的生活。给我们生活中微波通信系统提出了挑战。为了使接收机能够正常的工作，不受外界的噪声严重的干扰。因此，必须在接收机前端连接高性能的低噪声放大器，降低噪声干扰，使整个接收机系统噪声系数变低、信燥比得到改善、灵敏度得到提高，因此对微波通信中低噪声放大器的研究具有重要的意义。

本文所研制的低噪声放大器主要用于超高频段微波通信系统中。产品的主要指标：频率范围400～435 MHz频段上，功率增益＞13 dB、噪声系数＜2.5 dB、带内增益平坦度＜0.5 dB、带外抑制≤－75（≤f o－90 MHz处测试）、输入/输出负载50Ω。

1 设计方案

单级微波场效应管低噪声放大器的构成框图如图1所示。它是由输入匹配网络、微波场效应管、输出匹配网络组成。

图1 低噪声放大器原理Fig.1 Low noise amplifier principle

输入匹配网络的作用是使器件与信号源的阻抗匹配，输出匹配网络的作用是使器件与负载的阻抗匹配，使得信号在放大器过程中不产生反射损耗。

根据技术指标要求，设计单级低噪声放大器选用的放大器芯片为35k318YB场效应管，该管的特点：

1）低噪特点，最大2.2 dB，典型值为1.4 dB；

2）优秀的交叉调制特性；

3）功率增益最小为18 dB，典型值为21 dB；

4）低功耗、低电压工作能力；

5）OIP3为30 dBm左右。

电路拓扑结构采用反馈型、稳定衰减器法和低端增益衰减法进行设计。

1.1 噪声系数分析

放大器噪声系数一般用NF表示，它是用来衡量有噪系统的噪声性能。定义为：放大器输入信噪功率比（SNR）i＝Si/Ni与输出信噪功率比（SNR）0＝S0/N0的比值：

在工程设计与运用中，噪声系数一般用分贝表示。表达式如下：

对于单级低噪声放大器，其噪声系数为：

其中NFmin为晶体管最小噪声系数，由放大器的管子决定，Γout、Rn和Γs分别为获得Fmin时的最佳反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。

1.2 稳定性分析

在低噪声放大器设计中，有一个重要问题，那就是放大器稳定性。稳定因子K利用场效应管S参数给出了稳定性的直接指示，并由下式决定：

其中：Δ＝S11S22－S12S21

1）如果K＞1，则晶体管无条件稳定的；

2）如果K＜1，则晶体管的稳定性取决于源和负载阻抗相对稳定圆的位置。

根据所设计电路技术指标要求，选用微波场效应管3SK318YB。该管在400 MHz的s参数如下：

S11＝0.972∠－24.1 S21＝2.28∠147.6 S12＝0.00533∠78.0 S22＝0.980∠－17.4把S参数代入（3）式中，计算可得K≈1.45＞1，（此时的K是未匹配时的结果）所以放大器是稳定的。

在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。同时工程设计中为改善微波管的自身稳定性，设计时考虑了以下两种方式：

1）串接阻抗负反馈

在3SK318YB的源极和地之间串接一个阻抗元件电阻和电容，从而构成负反馈电路。

2）稳定衰减器

在3SK318YB的输出口接有两级Π型阻性衰减器，而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。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。

1.3 增益分析

1.4 双共轭匹配设计分析

晶体管提供的增益强烈地依赖于输入、输出端口所加载的源阻抗和负载阻抗。由于反相传输系数S12的存在，意味着负载反射系数ΓL会影响晶体管的输入阻抗，输入反射系数表示为[2]：

按照源反射系数ΓS，输出反射系数表示为：

因此，考虑到放大管反馈的影响，采用双共轭匹配法进行匹配，即设计时要求Γin与Γout同时满足，这样可以做到信号源和负载反射系数同时匹配，确保有高的功率增益和功率增益平坦度，同时兼顾输入和输出驻波比，射频电路整体上再进行匹配调节。从实际生产角度，输入和输出都要匹配到50欧，这样不仅可以满足指标的要求也可以缩小设计尺寸。

2 电路板制作与测试

为了小型化和通用性使用，电路板制作在21 mm×12.7 mm，厚度为0.6 mm的聚四氟乙烯基片上，PCB电路板如图2所示，元件装配图如图3所示。调整好直流偏置电路，盖上屏蔽罩，在安捷伦矢量网络分析仪8753C测试平台上进行测试，测试结果如图4所示。

图2 PCB电路板Fig.2 PCB circuit board

图3 元件装配图Fig.3 Element assembly drawing

3 实物测试结果分析

图4中：400 MHz由－40 dB增加到－26.638 dB，增益为13.361 dB。

图4 电路测试图Fig.4 Circuit test pattern

415 MHz由－40 dB增加到－26.418 dB，增益为13.582 dB。

430 MHz由－40 dB增加到－26.519 dB，增益为13.481 dB。

带内平坦度为：0.22 dB。

430 MHz的镜像抑制为：91.063－26.519＝65 dB。

因为频率较高，接地不是很良好，镜像抑制测试有误差，镜像频率与装整机的差值为10 dB。

4 结 论

本文设计的低噪声放大器具有实用性，已经在某些产品中大量使用。从使用角度看，该放大器优点表现为：一致性、可靠性、稳定性比较好，适合批量生产同时具有小型化设计技术。值得进一步推广。

[1]黄智伟.射频电路设计[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]王磊，杨红.射频电路设计技术[M].北京：电子工业出版社，2007.

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