Ku频段低噪声放大器的设计

1、3-44Ku频段低噪声放大器的设计第三部分微波毫米波有源器件及电路Ku频段低噪声放大器的设计吴辉，唐小宏电子科技大学电子工程学院四川 成都610054摘要：介绍了低噪声放大器的设计理论及方法，设计了 一款Ku频段低噪声放大器。电路采用三级放大的结构形式。 利用微带电路实现输入、输出和级间匹配。采用了Agilent公司的微波电路 CAD仿真软件ADS进行了仿真与优化。并对 电路增益、噪声系数、驻波比、稳定系数和输出1dB压缩点等特性进行了研究。LNA的工作频段为，增益大于27dB,噪声系数小于，1dB压缩点的输出功率在 8dBm以上，带内平 坦度为。 关键字：Ku频段，低噪声放大器，ADS仿真，

2、噪声系数Design of Ku Band Low Noise AmplifierWu Hui, Tang Xiaohong(School of Electronic Engineering, UESTC of China Chengdu 610054)Abstract:The design theory and method of low noiseamplifier(LNA) is introduced. And a Ku band LNA is designed. The circuit is used of three stage amplifier.Input output and

3、stage matching network designed in microstrip. The whole design is simulated and optimized by Agilent ' s microwave circuit CAD software ADS. The gain, noise figure(NF), VSWR, stability and P1dB is discussed. Its operation band is ，gain>27dB,NF8dBm, in-band flatnessl时，对所有的信源与负载终端来说，放大器都是无条件稳定

4、的；当 K1的绝对稳定条件。噪声系数及增益在多级部件互联的系统中，总的噪声系数下式决定：FF1F31tF12GG (2)11G2公式中，Ft为总噪声系数，F1，F2，F3分别为第 一级，第二级，第三级放大器的噪声系数；G1，G2, G3分别为第一级，第二级放大器的增益。可以看出第一级放大器性 能，从基本上决定了整个电路的总噪声系数：第一级放大器 的噪声系数越小，增益越大，整个电路的噪声系数就越小。 所以在设计中，第一级放大器应该采用最佳噪声系数设计。 在最佳噪声系数状态时，放大器的增益不会太高，为了满足 整个电路的增益要求，后面两级应该采用最大资用功率设 计。同时于晶体管在频率高端的增益要比频

5、率低端时小，为 了满足平坦度要求，后两级在设计时应该使晶体管在频率中高端达到最大增益匹配电路的设计为了使晶体管能够工作在所需要的工作状态，如最佳噪 声或者最大资用功率，需要设计合适的源阻抗和负载阻抗与 晶体管进行匹配，但于平时所使用的信号源及终端负载的阻 抗在一般情况下都是 50 Q，所716以输入及输出匹配电路的作用就是将标准的50 Q变换到晶体管所需要的阻抗上。同时，晶体管作为有源器件， 需要合适的直流电源进行偏置，以达到其所需的工作点。偏 置电路的作用就是在将直流馈入管子的同时，不对电路上的 微波信号传输产生不良影响，不让微波信号从偏置电路泄漏 出去。在相同的特性阻抗下，微带线的长度与宽

6、度取决于基片 的厚度及相对介电常数。在基片厚度不变的情况下，基片的 相对介电常数越大，微带线的宽度就越窄。为了尽量减小体 积，本电路的采用了相对介电常数较高的TACONIC公司的CER-10材料基片，其相对介电常数 e r=，厚度H=,铜箔厚度 T=。用ADS的传输线计算工具 Linecalc算得在所需工作频 段上50Q的传输线宽度约为，四分之一波导波长约为。因为放大器的相对带宽较窄，所以匹配电路采用r型和反r型结构进行匹配。为了避免在匹配电路中使用过多通孔增加其寄 生参量，选择终端开路支节进行匹配支节。第一级放大器采用最佳噪声系数设计，将NE3210S01的S参数模型导入ADS进行计算后，可

7、以得出其最佳噪声源反 射系数为ropt=v-o。利用史密斯圆图，可以得到其支节线的长度。完成输入端的匹配后，对输出端进行共轭匹配。第二、三级放大器采用 最大资用功率设计，将TC2181的S参数模型导入 ADS后得到其输入端反射系数为r s=，同样利用史密斯圆图完成输入匹配后再对输出端进行共轭匹配即可获得最大增益。于r型支节的交接处的不连续性会对传输线的有效长度有影响， 我们在ADS里面建立如图1所示的仿真模型进行优化仿真。 仿真结果如图1,图2所示。在所需工作频率，噪声系数小 于，增益大于。)(,GHz图1三级放大器的噪声系数第三部分微波毫米波有源器件及电路3028)1,(2S26(, GHz

8、图2三级放大器的增益图3 ADS里面的仿真模型直流偏置电路的设计按放大器的供电方式，可以将其分为单电源供电和双电 源供电两种。单电源供电虽然只需一个直流源，但因为其结 构需要在源极接上电阻进行自分压，而源极接上电阻后会使 放大器的增益下降，噪声系数上升。所以偏置电路采用了正 负电源的双电源供电。正压 Vds及负压Vgs通过g/4的高低 阻抗馈入。为减小偏置电路对信号传输的影响，采用ADS自带的 momentum软件进行仿真优化。图4偏置电路在momentum的仿真模型-)1,(S(-, GHz图5偏置电路的仿真结果3测试结果最后的LNA电路图如图6所示，整个电路的尺寸为 45mm x 13mm A为输入端口， D端为输出端口， B、C是为了方便 对每级电路放大器进行调试而设置的测试端口，在使用时通 过贴片电容进行耦合输出。整个在噪声分析仪上测