Ku波段低噪声放大器设计

吴成才　巩　莉　于庆法　梁青云（北京航天光华电子技术有限公司，北京　100854）



Ku波段低噪声放大器设计

吴成才巩莉于庆法梁青云
（北京航天光华电子技术有限公司，北京100854）

摘要首先，简单介绍了微波低噪声放大器（LNA）的研究背景，分析LNA设计的重要现实意义；然后，描述了LNA设计的关键点，以及实现的方式和要求，提出了LNA设计的基本思路；最后，设计出了一款适应某动中通卫星通信系统的LNA，包括电路模型建立、射频电路仿真、PCB电路板实现及相关测试。仿真及测试结果表明，该LNA设计方案达到了预定设计指标要求。

关键词低噪声放大器，偏置电路，阻抗匹配，电磁仿真

引言

微波低噪声放大器（LNA）是现代无线通信、卫星收发设备、雷达、电子对抗，以及遥测遥控接收系统等的关键部件。LNA作为卫星通信系统中重要的有源电路，其性能对整个接收系统的灵敏度、噪声范围和动态范围有着重要的影响，因此，开展LNA设计研究具有十分重要的现实意义。

1　LNA设计思路及要求

1.1基本设计思路

LNA的实现一般需要经过以下几个步骤：①根据系统要求明确设计指标；②根据设计指标选取放大晶体管；③确定晶体管直流工作点；④根据直流工作点确定偏置电路设计；⑤判定及改善晶体管稳定性；⑥实现噪声及增益匹配电路；⑦仿真优化实现预期指标；⑧PCB绘制与投板。其中，④、⑥是LNA设计的核心内容，正常情况下，由于仿真与现实存在差距，以及加工工艺的不确定性，投板回来的LNA还需要经过多次调试与①～⑧的反复设计才能实现预期设计指标。

1.2晶体管选取与稳定性判定

该LNA设计选取NE3210S01场效应晶体管（FET），其相关参数可以从厂家提供的数据表（Data sheet）中获取，如S参数、噪声性能等参数文件，可以用记事本将这些参数按照一定的格式写入，保存为S1P/S2P文件，然后用ADS软件中Data Items面板中的S1P/S2P模板引用这些文件，该模板就可以作为晶体管的一个S模型进行电路仿真。晶体管的参数将决定晶体管是否稳定，以及晶体管的匹配设置。

稳定性由下式决定：

当|Δ|<1且k>1时，认为晶体管是绝对稳定的。

1.3直流偏置点确定与偏置电路

晶体管直流工作点由ADS（先进设计系统）直流仿真及NE3210S01的Data sheet提供的数据表共同确定，其直流工作点选为VDS=2V，IDS=10mA。

为FET晶体管提供稳定的工作电压是偏置电路设计的目的与原则，不同的晶体管、不同的直流工作点或不同的系统都会导致偏置电路的设计存在差异。

1.4阻抗匹配

设计阻抗匹配网络是设计功率放大器的关键步骤。在任何一个射频功率放大器设计中，错误的阻抗匹配将使电路不稳定，同时可能会使电路效率降低和线性度变差。匹配电路设计时应同时满足匹配、谐波衰减、带宽、驻波、线性度，以及实际尺寸等多项要求。设计多级功率放大器，除了设计输入、输出匹配电路外，还要设计级间匹配电路。在功率放大器设计中，输入和输出匹配电路基于特定的匹配功能而遵循不同的设计原则。阻抗匹配电路是LNA设计的核心内容和主要技术难点，不同的晶体管或不同的技术指标要求都可能导致阻抗匹配设计存在差异，阻抗匹配电路设计的优劣直接决定着LNA技术指标的优劣。

匹配网络的确定有两种方式，一是直接根据晶体管厂商提供的噪声参数与S参数确定匹配网络，二是根据ADS中晶体管S参数仿真获得，在LNA参数误差允许范围内，两种方式确定的匹配网络都是可取的。本文采用第二种方式来确定匹配网络。

2　LNA实现

2.1设计指标

表1　LNA设计指标

2.2电路实现

LNA原理图仿真通过射频仿真软件ADS完成，原理图及版图如图1所示。LNA仿真优化结果如图2所示。LNA PCB版图如图3所示。

图2　LNA仿真优化结果

图3　LNA　PCB版图

图1　LNA原理图（左）及版图（右）

仿真结果表明，在工作频带（11.7 GHz～12.75GHz）内，噪声系数NF<0.8dB，增益大于22dB，增益平坦度优于1dB，输入输出端口大都在2以下。因此，所设计的LNA的主要技术指标达到了设计要求。

2.3电路板实现

本文设计的LNA电路板主要具有以下8个特点：①采用对称结构；②电路结构紧凑；③输入端采用垂直过渡方式；④输出端采用单端供电模式；⑤设置了大量接地孔；⑥电路由偏置电路和高频电路组成；⑦高频电路结构复杂；⑧阻抗匹配采用单支短截线方式。其中，特点①～④是LNA为适应某整体系统而提出来的要求；特点⑤旨在加强正面电路的通地性及板子的强度（板子厚度为20mm，没有金属的情况下柔软易变形）；特点⑥～⑧是LNA设计的核心内容，偏置电路通过输出端口单端供电，高频电路部分由若干功能电路级联组成，每一部分都有自己独特的功能，进行仿真设计时需先单独设计每一部分，然后再级联成整体进行仿真。

3　测试

通过矢量网络分析仪和噪声仪对LNA输入输出驻波、增益、增益平坦度、噪声系数进行测试。其中，输入驻波测试结果如图4所示。从图4可以看出，11.7GHz～12.75GHz间：输入驻波大都小于2，满足设计要求。

图4　输入驻波

输出驻波测试结果如图5所示。从图5可以看出，11.7GHz～12.75GHz间：输出驻波都小于2，满足设计要求。

图5　输出驻波

增益及增益平坦度测试结果如图6所示。从图6可以看出，11.7GHz～12.75GHz间：增益在20dB左右，增益平坦度在频带内基本满足设计要求（<2dB）。

图6　增益及增益平坦度

噪声系数测试结果如图7所示。图7中可以看出，11.7GHz～12.75GHz间：A号板两路（H路与V路）噪声系数低于1.6，噪声系数符合设计指标。

图7　A号板两路噪声测试值

以上测试结果表明，本文设计的LNA主要技术指标基本达到设计要求。

4　结束语

本文详细、全面地介绍了LNA的设计思路及要求，针对某卫星通信系统需要，提出了所需设计LNA的主要技术指标，并明确了设计思路，建立了LNA电路模型并进行了电磁仿真，仿真结果完全满足设计要求，最后，根据仿真模型绘制了PCB电路板，电路板实测结果表明，所设计的LNA主要技术指标均达到设计要求。

参考文献

1DEVENDRA K Misra. Radio-Frequency and Microwave Communication Circuits, Analysis and Design[M]. 2nd ed. Beijing:Publishing House of Electronics Industry, 2005

2闫润卿, 李英惠. 微波技术基础[M]. 北京理工大学出版社, 2004

3薛正辉, 杨仕明, 李伟明, 等. 微波固态电路[M]. 北京理工大学出版社, 2004

4徐兴福. ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京: 电子工业出版社, 2009

5王燕玲. Ku波段单片低噪声放大器研究[D]. 南京理工大学, 2007

6吴辉. Ku频段微波放大模块的研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2008

7杨庆峰. Ku波段小型化低噪声放大器设计[D]. 南京理工大学, 2008

8朱明, 刘濮鲲, 王自成, 等. 一种覆盖Ku波段平衡式低噪声放大器的设计[J]. 科学技术与工程, 2008, 8(16): 4476～4479

9王峥, 周以国, 郭俊栋. 宽带低噪声放大器仿真与设计[J]. 现代电子技术, 2010, (14): 10～13

Design of Ku-Band Low Noise Amplifier

Wu ChengcaiGong LiYu QingfaLiang Qingyun
( Beijing Aerospace GuangHua Corporation, Beijing100854 )

AbstractFirstly，the research background of microwave low noise amplifier （LNA） is introduced，and the important practical significance of LNA design is pointed out. Then，the key points of LNA design，and the design method is proposed. Lastly the LNA design, including circuit model, RF circuit simulation, PCB circuit board and related testing is described in detail. And the simulation and testing results show that the design can satisfy the requirements.

KeywordsLow noise amplifier，Bias circuit，Impedance matching，Electromagnetic simulation

文章编号：1009-8119（2016）05（1）-0050-03