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重庆邮电学院研究生堂下考试答卷 2012-2013学年第 2 学期 考试科目 微波电路 姓 名 XXX 年 级 2012级 专 业 XXXXXX 2013年 7 月 4 日 基于ADS的LNA仿真与分析 一、前言 低噪声放大器(LNA)在卫星通讯系统，雷达系统以及无线通讯系统中都有着广泛的应用。其设计目标是要在输入端噪声系数不超过给定值的条件下获得尽可能高的增益，由于最大功率增益和最小噪声系数是不能同时兼得的，因此在大多数情况下，不得不舍弃一项而保全另一项指标已达到设计要求。本文所设计的是一级放置在接收机最前端的低噪声放大器，由于它的噪声系数较小，而接收系统经过合理的增益分布后，噪声系数主要由低噪声放大器决定。设计原理低噪放基本构造 低噪声放大器英文名称为Low-Noise Amplifier，简称为LNA，是一种位于放大链路输入端，针对给定的增益要求，引入尽可能小的内部噪声，并在输出端获得最大可能的信噪比而设计的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。 现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管；微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器，常温参放的噪声温度 Te可低于几十度(绝对温度)，致冷参量放大器可达20K以下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于2分贝。放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。在工作频率和信源内阻均给定的情况下，噪声系数也和晶体管直流工作点有关。为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极一共基极级联的低噪声放大电路。 低噪声放大器电路原理图如图所示： 图 低噪声放大器电路原理图 低噪放设计原理 LNA是射频接收机前端的主要部分，它主要有四个特点：第一，它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在工作频段内应该是稳定的；第二，它所接受的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是一个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接受信号的同时又可能伴随许多强干扰信号输入，因此要求放大器有足够的线型范围，而且增益最好是可调节的；第三，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线滤波器相连，放大器的输入端必须和他们很好的匹配，以达到功率最大传输或者最小的噪声系数，并保证滤波器的性能；第四，应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰，因此它一般是频带放大器。 噪声系数和增益对整机性能影响较大，要实现理想功率传输，必须使负载阻抗与源阻抗相匹配，这就需要插入匹配网络。放大管存在最佳源阻抗Zsopt，因此LNA的输入端应按Zsopt进行匹配，此时放大器的噪声系数为最小。而为了获得较高的功率增益和较好的输出驻波比，输出端则采用输出共轭匹配。如果增益不够，则需要采用多级放大电路。原则上前级放大器相对注重噪声系数性能，后级放大器则相对注重增益性能。也就是说，输出端口和级间针对增益最大和平坦度进行匹配电路设计。 常规单级放大器的原理图如图所示： 图 常规单级放大器原理图 图中：表示放大器入射功率，表示负载吸收的功率 表示输入反射系数，表示源反射系数 表示负载反射系数，表示输出反射系数 噪声系数可由式3计算，在多级网络级连时，降低第一级的噪声系数并提高其功率增益，对总噪声系数的减小至关重要。 (2.1) 因为高频段FET都存在着内部反馈，当反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏而导致自激。因此，必须保证放大器的绝对稳定，判定条件如式4所示： (2.2) 式中：，， 低噪放设计步骤 低噪声放大器的一般设计步骤如图所示： 图 低噪声放大器的一般设计步骤 图4 放大器的增益平坦度表示图 3.4 稳定性 低噪声放大器能够正常工作必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性，否则会产生自激振荡。稳定性取决于晶体管的S参数和输入输出网络的反射系数。当晶体管确定工作频率和偏置，也就是晶体管的S参数成为定值后，只要满足式(3.10)-式(3.11)，则晶体管绝对稳定。 (3.10)