低噪声放大器的两种设计方法

低噪声放大器(LNA)是射频收发机的一个重要组成部分，它能有效提高接收机的接收灵敏度，进而提高收发机的传输距离。因此低噪声放大器的设计是否良好，关系到整个通信系统的通信质量。本文以晶体管ATF-54143为例，说明两种不同低噪声放大器的设计方法，其频率范围为2～2．2 GHz；晶体管工作电压为3 V；工作电流为40 mA；输入输出阻抗为50 Ω。

1 定性分析
1．1 晶体管的建模
    通过网络可以查阅晶体管生产厂商的相关资料，可以下载厂商提供的该款晶体管模型，也可以根据实际需要下载该管的S2P文件。本例采用直接将该管的S2P文件导入到软件中，利用S参数为模型设计电路。如果是第一次导入，则可以利用模块S-Params进行S参数仿真，观察得到的S参数与S2P文件提供的数据是否相同，同时，测量晶体管的输入阻抗与对应的最小噪声系数，以及判断晶体管的稳定性等，为下一步骤做好准备。
1．2 晶体管的稳定性
    对电路完成S参数仿真后，可以得到输入／输出端的mu在频率2～2．2 GHz之间均小于1，根据射频相关理论，晶体管是不稳定的。通过在输出端并联一个10 Ω和5 pF的电容，m2和m3的值均大于1，如图1，图2所示。晶体管实现了在带宽内条件稳定，并且测得在2．1 GHz时的输入阻抗为16．827-j16．041。同时发现，由于在输出端加入了电阻，使得Fmin由0．48增大到0．573，Γopt为0．329∠125．99°，Zopt=(30．007+j17．754)Ω。其中，Γopt是最佳信源反射系数。

1．3 制定方案
    如图3所示，将可用增益圆族与噪声系数圆族画在同一个Γs平面上。通过分析可知，如果可用增益圆通过最佳噪声系数所在点的位置，并根据该点来进行输入端电路匹配的话，此时对于LNA而言，噪声系数是最小的，但是其增益并没有达到最佳放大。因此它是通过牺牲可用增益来换取的。在这种情况下，该晶体管增益可以达到14 dB左右，Fmin大约为0．48，如图3所示。

    另一种方案是在可用增益和噪声系数之间取得平衡，以尽可能用小噪声匹配为目标，采用在兼顾增益前提下的设计方案。在这种情况下该晶体管增益大约为15 dB左右，Fmin大约为0．7(见图3)。这个就是本文中提到的第2种方案。

2 以最佳噪声系数为设计目标方案的仿真
2．1 输入匹配电路设计
    对于低噪声放大器，为了获得最小的噪声系数，Γs有个最佳Γopt系数值，此时LNA达到最小噪声系数，即达到最佳噪声匹配状态。当匹配状态偏离最佳位置时，LNA的噪声系数将增大。前面定性分析中已经获得Γopt=0．329∠125．99°，以及对应的Zopt=30．007+j17．754 Ω。下面可以利用ADS的Passive Circuit／Micorstrip ControlWindow这个工具，自动生成输入端口的匹配电路。
    在原理图中添加一个DA_SSMatehl的智能模块，然后修改其中的设置：F=2．1 GHz，Zin=50 Ω。值得注意的是，利用该工具生成匹配电路时，Zload是Zopt的共轭。设置完毕后，再添加一个MSub的控件，该控件主要用于描述基板的基本信息，修改其中的设置为H=0．8 mm，Er=4．3，Mur=1，Cond=5．88×107，Hu=1．0e+33 mm，T=0．03 mil。设置完后，即可进行自动匹配电路的生成，结果电路如图4所示。

    将输入匹配电路添加到图1后再进行S参数的仿真。可以看到，最佳噪声系数Γopt的位置由于输入匹配电路的加入而成功匹配到50 Ω的位置。
2．2 输出端匹配电路设计
    根据最大功率增益原则进行输出端匹配电路的设计(考虑到输出稳定电路的存在，对输出阻抗的影响，在进行输出阻抗测量时要把稳定电路计算在内)，即将输出阻抗(Zopt=8．055-j8．980，如图5所示)使用上述的方法匹配到50 Ω。得到的输出端匹配电路如图6所示。
2．3 仿真结果
    观察最后的仿真结果可以看到，增益为14．4 dB；噪声系数为0．586，这与稳定后的晶体管最佳噪声系数0．573非常接近，且增益平坦度低，稳定性能优异。具体性能指标如图7所示。

3 以噪声系数为主兼顾增益为设计目标方案的仿真
3．1 输入匹配电路设计
    如果选择基板材料为环氧玻璃FR-4基板，介电常数为4．3，厚度为0．8 mm，则2．1 GHz时的晶体管输入阻抗为1 6．827-j16．041。采用上述匹配电路生成方法，输入匹配电路采用ADS设计向导中的单支节模块来设计。可以很快得到图8中的匹配电路。如图9所示，图中m6=50(0．927+j0．001)。与50 Ω的非常接近，所以得出的输入端匹配情况比较合理。
3．2 输出匹配电路设计
    在完成输入匹配电路设计之后，可以对输出匹配电路进行设计。在此充分发挥CAD软件的优势，借助优化的方法来实现。基本过程如下：
    将输入匹配电路的结果添加到图10中，并在晶体管输出端添加如图所示的微带。调出优化控件，并将优化的目标设置为dB(S(11))为-20，dB(S(22))为-15。

    在优化开始时，先将TL1，TL2，TL3宽度设置为61．394 mil，这是为了保障在考虑到板材、板材厚度等因素下微带线的特性阻抗为50 Ω。预设TL1，TL2，TL3的长度，优化一次后，刷新结果，观察各种图表的指标是否更好，数值是否达到设置的最大值，如果达到最大值，再次改变设置值重新优化。反复多次后，将会达到再次改变这几个数值，若改变后对于各种指标作用不大，可以尝试改变电阻和输入匹配的数值再进行优化。
    通过多次调试发现，R1设为15 Ω，以及加上TL7后，增益和噪声系数以及输入输出驻波比效果更好。仿真电路原理图及优化控件和目标控件如图10所示。
3．3 仿真结果
    观察最后的仿真结果可以看到，增益为15．816 dB；噪声系数为0．708，该指标均比定性分析时的都要好，其他性能指标如图11所示。

4 结语
    通过对晶体管进行定性分析，可以根据实际需要选择低噪声前置放大器的设计方案，第一种方案的最佳噪声系数是以牺牲增益而得到的；第二种方案是以提高噪声系数为代价，降低驻波比VSWR的值得到的。2种方法利用计算机辅助设计工具均可以快速实现，各有各自的存在价值，这在很多场合都得到了应用。