通信設備接收機內部噪聲過大將直接影響信號接收。而降低通信設備接收機系統(tǒng)噪聲系數最有效方法就是改進接收機前端。低噪聲放大器有效提供接收機的接收靈敏度，從而提高通信設備的傳輸距離。因此設計良好的低噪聲放大器能極大提高整個通信系統(tǒng)的通信質量。

目前低噪聲放大器設計通常采用CAD、EESOF、MW0ffice和(Advanced Design System)等方式。ADS是Agilent公司開發(fā)的一種功能強大的射頻電路設計和仿真工具軟件，對小信號特征進行的S參數仿真非常適用于低噪聲放大器的仿真設計。

1 噪聲系數與接收機靈敏度的關系

噪聲系數是指信號通過放大器之后，由于放大器產生噪聲使信噪比變壞，而信噪比下降的倍數就是噪聲系數。其定義為：

式中，n為放大器輸出端確定的信噪比。

而接收機靈敏度是維持接收機正常工作時。輸入端所必需的最小信號功率(或電壓)。在理想條件下，接收機內部噪聲所決定的靈敏度作為衡量接收機質量的標準，則稱為最高靈敏度。

設天線的輸入信號為Es，則為源內阻的熱噪聲，即Pni=4kTRs△fn，于是式(1)可寫為：

式中，Rs是天線等效電阻，△fn是接收機通頻帶寬度，k是波爾茲曼常數(1．38×10-23J／K)，T為室溫17℃(290 K)。

從式(3)可看出，若給定接收機的輸入電阻、全機同頻帶寬以及接收機的輸出信噪比，其接收機靈敏度可直接由噪聲系數決定。

2 低噪聲放大器的主要技術指標

低噪聲放大器的主要指標包括：噪聲系數(NF)、功率增益、穩(wěn)定性、動態(tài)范嗣、輸入輸出駐波比和反射系數等，其中對整個系統(tǒng)影響最大的指標是噪聲系數和放大增益。

2．1 噪聲系數

噪聲系數通常用分貝表示：

式中，Fmin為晶體管最小噪聲系數，由放大器本身決定，rn是晶體管等效噪聲電阻，是晶體管輸入端的源反射系數，是獲得最佳Fmin時的最佳源反射系數。

在某些噪聲系數要求極高的系統(tǒng)中，由于噪聲系數很小，用噪聲系數表示不方便，通常采用噪聲溫度表示，則噪聲溫度Te與噪聲系數NF的換算關系：

式中，T0為環(huán)境溫度，通常為290 K。

2．2 功率增益

對于實際的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源和負載都是50 Ω標準阻抗情況下實測的增益。即先測出沒有放大器時輸出的功率P1，連接有加入放大器后再測量輸出的功率P2，則功率增益G=P2／P1。

噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關增益。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，一般相關增益比最大增益低2～4 dB。低噪聲放大器的增益應適中，增益太大導致下級混頻器輸入過大而失真；增益太小不利于抑制后續(xù)各級放大器噪聲。

當增益G1和G2足夠大時，整機的噪聲系數接近第一級的噪聲系數。因此系統(tǒng)前端的低噪聲放大器對整個系統(tǒng)的噪聲系數大小起決定作用。

2．3 穩(wěn)定性

低噪聲放大器能夠正常工作必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內的穩(wěn)定性，否則會產生自激振蕩。穩(wěn)定性取決于晶體管的S參數和輸入輸出網絡的反射系數。當晶體管確定工作頻率和偏置，也就是晶體管的S參數成為定值后，只要滿足式(8)～式(9)，則晶體管絕對穩(wěn)定。如果不滿足絕對穩(wěn)定狀態(tài)，通過增加穩(wěn)定電路設計使晶體管工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

2．4 動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是指低噪聲放大器輸入信號允許的最小和最大功率的范圍。動態(tài)范圍的上限由最大可接收的信號失真決定，動態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。為了避免大信號輸入時產生非線性失真，一般應選擇低噪聲放大器的輸入三階交調點IIP3較高一點，至少比最大輸入信號高30 dB。

2．5 輸入輸出駐波比

低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征其端口回路的匹配情況。一般低噪聲放大器的輸入匹配電路是按照最小噪聲設計的，即接近最佳噪聲匹配而不是最佳功率匹配，而輸出端匹配網絡一般是為獲得最大功率和最低駐波比設計的。所以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種不匹配。為了減小放大器輸入端不匹配所引起的端口反射，可插入損耗很小的隔離器方法解決。

　3 低噪聲放大器的仿真設計

3．1 通信設備原低噪聲放大器晶體管

受擾通信設備前端低噪聲放大器是采用俄制晶體管2T919B，其工作頻率范圍為l～2 GHz，增益約10 dB。噪聲系數大于2．3 dB。

3．2 改進設計時低噪聲放大器晶體管

通信設備采用PHEMT場效應品體管的低噪聲放大器在800 MHz頻段噪聲系數可達0．4 dB，增益約17 dB：l 900 MHz頻段噪聲系數可達0．6 dB，增益約15 dB。經比較，本設計用Agilent公司的AT-41533低噪聲晶體管實現低噪聲放大器。所設計低噪聲放大器的主要指標為：工作頻帶1．2～1．4 GHz(載波頻率l．3 GHz)；增益大于13 dB；噪聲系數小于1．5 dB；無條件穩(wěn)定。

3．3 晶體管直流工作點的掃描

在低噪聲放大器設計之前，首先確定靜態(tài)工作點和偏置電路，即對品體管進行直流工作點的掃描，實際就是直流仿真過程，圖l是利用ADS軟件的 Template-BJT_curve_tracer進行直流工作點掃描的電路原理圖。圖2為直流工作點掃描曲線。

由圖2可讀出，VCE=3 V，IC.i=O．013 mA。需要注意的是，實際器件參數和ADS器件庫中的模型參數可能會有一定差異，工程實踐時需按要求做出相應調整。

3．4 穩(wěn)定性分析

對晶體管AT-41533進行S參數掃描，在原理圖中加入2個穩(wěn)定性測量控件，分別是K：K=stab_fact(S)B：B=stab_fact(S) 函數返回Rollett穩(wěn)定因數；B：B=stab_meas(S)，stab_meas(S)函數返回穩(wěn)定量。圖3為穩(wěn)定性分析的電路設計圖。表l列出工作頻帶附近的K、B值。

在1．2～l．4 GHz的頻帶范嗣內，K、B值均大于l，由式(7)、式(8)得出在此工作頻帶內系統(tǒng)，無條件穩(wěn)定，無需另外設計穩(wěn)定電路。

3．5 匹配電路設計

3．5．1 輸入匹配電路的設計

本設計的低噪聲放大器置于接收機前端，由式(3)可知，當晶體管輸入端的源反射系數（Sopt）=時，可獲得最小的噪聲系數F=Fmin。

通過對晶體管AT-41533進行SP模型掃描，中心頻率1．3 GHz時，值是-0．241+j0．191：使用Smith圓圖工具，將輸入反射系數S(1，1)設置為共軛，用于最小噪聲系數輸入阻抗的匹配。圖4為輸入匹配的電路設計，圖5為輸入匹配后阻抗圓圖。

3．5．2輸出匹配電路

輸出網絡匹配是由微帶線實現的，采用RF4基板，具體參數為：基板厚度0．8 mm；相對介電常數Er為4．3；磁導率Mur為1；金屬電導率為5．88E+7；金屬層厚度為0．03mm。通過ADS自帶的微帶線計算工具計算出微帶線寬度1．588 mm，選擇控件MLIN、MTEE、MLEF插入到輸出端。設置2個優(yōu)化GOAL，其對象分別是S(1，1)和S(2，2)，有一點需要注意的是，進行優(yōu)化后輸入匹配Smith圓圖的參數也會有稍微的改變。由圖8看出，輸入輸出匹配后，輸入端和輸出端的反射系數均小于-15 dB；由圖9和圖10看出。所設計濾波器增益@14．6 dB，噪聲系數@1．39 dB。

4 結論

該系統(tǒng)設計的最終仿真結果：增益為14．6 dB；噪聲系數為1．39 dB，其結果均符合預期設計指標。

若假定條件不變，原設備接收機的最高靈敏度是2μV，那么改進低噪聲放大器設計后接收機的靈敏度提高到1．2μV左右。但該結論是僅考慮第一級放大器噪聲，如果考慮到后級噪聲的影響，靈敏度的提高會稍微降低。

通過ADS軟件對某通信設備接收機前端低噪聲放大器進行仿真設計，仿真選取的電路模型比較簡單，實際電路往往會比仿真模型更復雜，但即便對于復雜電路，只要設置好參數模型仍然能夠進行正確的仿真設計。

另外，在實際設計低噪聲放大器過程中需實際測試各項指標，并將測試結果反饋到仿真設計中，重新修訂仿真參數，如此循環(huán)不斷優(yōu)化出理想的低噪聲放大器。因此，噪聲系數的降低可有效提高接收機系統(tǒng)的靈敏度，提高通信設備的作用距離。

發(fā)布者：小宇