低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)廣泛應用于射電天文、衛星接收、雷達通信等收信機靈敏度要求較高的領域，主要作用是放大所接收的微弱信號、降低噪聲、使系統解調出所需的信息數據。而噪聲系數(Noise Figure，NF)作為其一項重要的技術指標直接反映整個系統的靈敏度，所以LNA設計對整個系統的性能至關重要。
1 GPS接收機低噪聲放大器的設計
設計的LNA主要指標為：工作頻率為1 520～1 600 MHz；噪聲系數NF
1．1 器件選擇
選擇合適的器件，考慮到噪聲系數較低、增益較高，所以選擇PHEMT GaAsFET低噪聲晶體管。在設計低噪聲放大器前，首先要建立晶體管的小信號模型，一般公司都會提供具有現成模型的放大器件。這里選擇Agilent公司的生產的ATF-54143。1．52～1．60 GHz頻帶內，設計反τ型匹配網絡，該匹配網絡由集總元件電感、電容構成。選擇電感時，要選擇高Q電感。為了在模擬仿真中能夠與實際情況相符合，選用Murata公司的電感和電容模型。這里選用貼片電感型號為LQWl8，貼片電容型號為GRMl8，電感LQWl8在1．6 GHz典型Q值為80。
1．2 直流偏置
在設計低噪聲放大器中，設計直流偏置的目標是選擇合適的靜態工作點，靜態點的好壞直接影響電路的噪聲、增益和線性度。由電阻組成的簡單偏置網絡可以為ATF-54143提供合適的靜態工作點，但溫度性較差。可用有源偏置網絡彌補溫度性差的缺點，但有源偏置網絡會使電路尺寸增加，加大了電路板排版的難度以及增加了功率消耗。在設計實際電路中，要根據具體情況選擇有源偏置網絡，或是電阻偏置網絡。就文中的LNA而言，考慮到結構和成本，這里選擇電阻無源偏置網絡。采用Agilenl的ATF54143，根據該公司給出的datasheet指標，設計Vds=3．8 V、Ids=ll mA偏置工作點。因為在電流為llmA時ATF-54143性能較好。電阻R3為100 Ω；R2為680 Ω；R1為60 Ω，如圖1所示。
1．3 穩定性設計
放大器的穩定性是放大器中需要考慮的重要因素。需要在工作頻率下絕對穩定，有兩種方法可以判斷該器件是無條件穩定。第一種方法
第二種方法：用s參量組合成的檢測標準，只有單一參量μ，其定義為
要使電路穩定通常有兩種方法：第一種，在場效應管漏極端加阻性負載，能夠在很寬的頻段內使器件產生等阻抗，從而獲得寬帶穩定性。其缺點是阻性終端要消耗一些能量，降低輸出功率；第二種，在源極與地之間加電感，可引起串聯負反饋，使器件增益下降，但穩定性提高了。在微波電路中，源極負反饋可以是電感集總元件，也可以是一段短傳輸線，本設計采用前者。
仿真結果如圖2，圖3所示，可以看出在l 520～l 600 MHz的范圍內輸入輸出及整體穩定性都>1，因此電路在帶內穩定。
1．4 輸入輸出阻抗匹配電路設計
在設計LNA時，輸入匹配不能采用共軛匹配方法，而是采用最佳源反射系數噪聲匹配。輸入阻抗匹配網絡電路由C4和L5組成，如圖3所示，網絡可以有效降低回波損耗，并提高增益和頻帶內的穩定性。L1起到通直流和扼交流的作用，C1起到射頻旁路的作用。電感L1和L5的Q值對輸入端降低電路損耗和減小NF(2)有重要作用。低電感Q值會增大輸人噪聲，從而影響整個電路的總噪聲。
而輸出匹配采用共軛匹配設計。輸出阻抗匹配網絡由C6和L7組成，如圖4所示，降低回波損耗，提高增益。C2起著射頻旁路作用，C5起著電源去耦作用。
用Smith軟件簡單求得匹配網絡集總元件的值后，再用ADS軟件進行優化。優化時，要注意幾點：首先通過調諧功能手動調整各個器件參數，知道哪些器件參數對電路指標影響較大，對于敏感的器件參數要小心處理；其次設定優化目標；最后，優化時，要避免自激振蕩。
1．5 LNA電路的整體優化
對直流偏置設計、穩定性設計和匹配網絡設計后，LNA結構基本固定，但為了達到各項指標要求，還需要優化各個器件的值，而且要考慮實際電路微帶線、短路接地、過孔的影響，所以還需對電路進行整體仿真優化。
通常在射頻電路中，使用的是微帶線傳輸信號，需要注意微帶線的寬度，寬度的大小決定特性阻抗。對于輸入輸出端口通常采用50 Ω特性阻抗。在本次設計中，選用板材是相對常數為2．65，厚度為1 mm的PTFE。利用Agilent公司的Appcad軟件，可以計算出微帶線的寬度為2．57 mm。
對LNA電路優化時，優化指標的設置要合理。優化指標過程中，要充分利用調諧功能，先知道參數的大概數值，然后在此基礎上對各項參數優化，直到達到理想效果。最終仿真結果如圖5所示。
1．6 測試結果
圖6為實際低噪聲放大器實驗板，并用矢量網絡分析儀和噪聲儀測試，測試結果顯示：Gain>16．0 dB；NF(2)<0．5 dB；輸人駐波比<2；輸出駐波比<1．5。實驗結果與仿真結果基本吻合。
2 結束語
文中選用Agilent公司E-PHEMT噪聲系數較低的ATF-54143，設計了低噪聲放大器。介紹了偏置電路設計，穩定性設計及輸入輸出網絡匹配電路設計的方法。實測結果表明，文中設計的低噪聲放大器符合指標要求，適用于GPS頻段的通信。
