L波段低噪声放大器的设计_图文

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工 程应 用  

L波段 低 噪 声放 大 器 的设 计 
赵  云  中 国 电子 科 技 集 团公 司 第 5 4研 究 所  石 家庄  0 0 8  5o 1
摘 要  文章 阐述 了低 噪 声放 大 器的一 部分 主 要技 术指 标 , 过 对 电路 设 计 中应 该 注意 的 诸 多要 点分 析 了此 类 高 频  通

微 带 电路 的复 杂结构 和 形式 , 绍 了利 用微 波 工作 室软件 , G A 介 对 a s场 效应 管 s参 数 中增益 和噪 声 系数 等参 数进 行 了分析 并设  计 了两级 低噪 声 放 大器 , 对 电路 进 行模 拟 和优 化 , 过 电路 调 试 , 件 修 正 , 到 最 终 电路 设计 , 最 终 的 测试 结 果 可 以 看  并 通 软 得 从
出该放 大 器具 有 良好 的 射频 性 能 , 已经 达到 了预 定 的技 术指 标 :   关 键词  低噪 声  放 大 器  增 益  噪 声 系数  驻 波比 

1 引 言   
低 噪 声 放 大 器 在 任 何 微 波 接 收 系统 中 都 处 于 前 

= o 丽Nu t  

() 5  

式 中 ,1 环 境 温 度 , 常 取 为 23 3 7 o为 通 9 K;f为 放 大 器 
通频带 。  

端 位 置 , 是 因 为 微 波 系 统 的 噪 声 系 数 基 本 上 取 决  这
于 前 级 放 大 器 的 噪 声 系 数 , 以 低 噪 声 放 大 器 是 接  所

不 难 看 出 , 大 器 输 入 的 噪 声 功 率 是 信 源 阻 抗  放 在 7 1 0时产 生 的 热 噪 声 , 那放 大 器 自身 产 生 的 噪 声 也  可 看 成 一 个  的 物 体 产 生 的 热 噪 声 , 里 可 以 把  这 理 解 为 放 大 器 的 等 效 噪 声 温 度 。这 时 放 大 器 输 
出端噪声功率 为 :  
’N。  =K( o   ) f   T+ AG () 6 

收 系统 中相 当 重要 的 部 件 。低 噪 声 放 大器 技 术 指 标  项 目比较 多 , 将 对 其 中 一 部 分 主 要 指 标 从 物 理 含  现

义上加 以介绍 , 然后 再 对低 噪声放 大 器 电路 构成 加 
以分 析 。  

2 低 噪声 放 大 器 主要 技 术 指标 
21 噪 声 系数 与 噪 声 温 度  .   任 意 微 波 部 件 的 噪 声 系 数  定 义 如 下 :  
Sn i i Nn /  
=  

将 式 () 入 式 ( )得 到 : 6代 5,  
=  …   。  

移 项 即 得 到 放 大 器 噪 声 温 度 
() 1 
() 1 

和 噪 声 系 数 的 

关系 :  
=  

( , )  Ⅳ 一1 。

式 中 Ⅳ 为 微 波 部 件 噪 声 系 数 ;   N, 分 别 是 微  , S   为

对 于理 想无 噪 声 放 大 器 来 说 , 等 于 零 。    
2 2 功 率增 益 、 关 增 益 与增 益 平 坦 度  . 相

波放大器 输 入端 的信号 功 率 和噪 声 功率 ; m , 。 S 儿 N  为分别是 微 波放 大 器输 出端 的信 号 功 率 和噪 声 功 
率。   从 式 ( ) 以 看 出 , 声 系 数 的物 理 含 义 是 : 1可 噪 信 

() 率 增 益  1功 微 波 放 大 器 功 率 增 益 有 多 种 定 义 , 如 资 用 增  比 益 、 际增益 、 轭增益等。 实 共   对 于 实 际 的 低 噪 声 放 大 器 , 率 增 益 通 常 是 指  功
() 2 

号通过放 大器之后 , 由干放 大器产生噪声 , 使信噪 比   变坏 , 噪 比下 降的倍 数就是噪声系数 。 信  
通 常 , 声 系数 用 分 贝 数 表 示 , 时 : 噪 此  
Ⅳ ( B =l ,d ) 叭  r  

信 源 和 负 载 都 是 5 1标 准 阻抗 情 况 下 实 测 的 增 益 。 02   实际测量 时 , 用插入法 , 常 即用 功 率 计 先测 信 号 源 能  给 出 的功 率 P ; 把 放 大 器 接 到 信 源 上 , 同 一 功   再 用 率 计 测 放 大 器输 出 功 率 P , 率 增 益 就 是 :  功  
P2 G:   。 

根据噪声系数 , () 改写成式 () 式 1可 3:  
Not u
=  
=  

() 3 

]iS Vn  
m  

式中, G是 放 大器 功 率 增 益 。   当 放 大 器 和 信 源 阻 抗 匹 配 时 , 大 器 输 入 端 噪  放
声功率 为 :  
N  =KT  o () 4 

在测量 中 。 信号源 和功率 计都是标准 5 0, 0 所测 
P  是 信 源 资 用 功率 , P 则 代 表 5 1 载 能 获 得  而 2 02负 的功 率 。从 这 个 意 义 上讲 , 率 增 益 G 中 考 虑 了 放  功

将 此 值 代 入式 ( ) 即得 : 3。  

大器输入 和输 出失配所造成的增益下 降因素。  
20 04年 无 线 电工程 第 3 4卷 第 1 2期  6  1

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( ) 关 增 益  2相

频带 ) M 为微波系统允 许 的信号 噪声 比 , 信号 识  ; 或
别 系 数 ; o 环 境 温 度 ,9 K。 T为 23   由式 可 知 , 态 范 围 下 限 基 本 上 取 决 于 放 大 器  动 噪 声 系 数 , 也 和 整 个 系 统 的状 态 和要 求 有 关 。 但   动 态 范 围 的上 限 是 受 非 线 性 指 标 限制 的 。 有 时  动 态 范 围 的 上 限定 义 为 放 大 器 输 出 功 率 呈 现 1d   B

低 噪 声 放 大 器 都 是 按 噪 声 最 佳 匹 配 进 行 设 计  的 。噪 声最 佳 匹 配 点 并 非 最 大 增 益 点 , 因此 增 益 G   要下 降。噪声最佳 匹配 情况 下 的增 益称相 关增 益 。   通 常 , 关 增 益 比最 大 增 益 大 约 低 2~ d 。 相 4 B 
功 率 增 益 的 大 小 还 会 影 响 整 机 噪 声 系 数 , 式  下

给出简化的多级放大器 噪声系数表达式 :  
N   f= +   +   + .?  .。

压缩点时 的输入功率值 ; 有时要求更严格些 , 则定 义  为 放 大 器 非 线 性 特 性 达 到 指定 三 阶 交 调 系 数 时 的输 
入 功 率 值 。 动 态 范 围上 限 值基 本 上 取 决 于 放 大 器 末 

式中,, Ⅳ 为放 大 器 整 机 噪 声 系 数 ; 九, ,, ,分 别  Ⅳ Ⅳ2 Ⅳ3

是第 12 3级 的 噪声 系数 ; l G 分别 是第 12级  ,, G, 2 ,
的功率增益 。   从上 式 可 知 , 只有 当 前 级 增 益 G 和 G 。  足 够 大 

级 F T的功率容量 。小 信 号 F T管 1 B压缩 点输  E E   d 入功 率 范 围 是 1~ 1d m, 动 态 范 围 将 是 8   0B 则 0~
9d   0 B。

时, 整机 噪声才 能接近第 1 级的噪声 。  
在微 波 系 统 中 , 噪 声 放 大 器 看 成 为第 1 , 低 级 而  后 面 的 混 频 接 收 部 件 可 看 成 为 第 2级 , 么 低 噪 声  那 放 大器 的 功 率 增 益 就 必 须 足 够 高 , 能 压 制 掉 后 级  才
噪声的影响 。  

3 电路 设计   
( ) 计 要 点  1设

①第一 级放大 器 的设 计 必需是最 佳 噪声设计 ,  
即输 入 匹 配 网络 必 需 是 最 佳 噪声 匹 配 网 络 。 为 了改  善稳 定 性 , F T的 两 个 源 极 和 地 之 间 各 串 联 一 段  在 E 微 带 线 构 成 串 联 负 反 馈 。负 反 馈 微 带 接地 方 式 是 在  基 片上 打孔 , 片是 聚 四 氟 乙 烯 纤 维 板 , 壁 金 属 化  基 孔 后 与底 面 金 属 地 层 接 通 。 第 二 级 F T也 是 最 佳 噪  E 声设计 , 是如此 。 也   ②电路 的稳定性 设计 必不 可少 , 因为 高 增 益 放  大器 比较 容 易 自激 , 外 在 结 构 设 计 上 及 装 配 工 艺  此
上都 要 考 虑 稳 定 性 因素 。  

作 为 成 品 微 波 低 噪 声 放 大 器 的 功 率 增 益 , 般  一
是2 0~5 d 0 B范 围 。  

( ) 益 平 坦 度  3增 增 益 平 坦 度 是 指 工 作 频 带 内 功 率 增 益 的起 伏 ,   常 用最 高 增 益 与 最 小 增 益 之 差 , AG d 表 示 , 即 ( B) 如  图 1 示, 所 比如 允 许 全 频带 △ 之 内 , ( B  2 B  厂 AG d ) d 。

在多路 通信 的情况 下 , 低噪 声放大 器对全 部信 
道 进 行 放 大 , 接 终 端 机 进 行 分 路 。 每 个 信 道 的 信  后 号 只 占几 十 兆 赫 , 于 每 个 信 道 信 号 , 益 起 伏 不 能  对 增 太 大 , 时 常 用 增 益 斜 率 d / z 表 示 , 如 增 益  这 B MH 来 比

放 大 器 盒 体 的 横 向宽 度 要 小 于最 高频 率 的 半 波  长, 以避 免 盒 内 空 间 产 生 波 导 传 输 效 应 。这 项 要 求  和一 般 低 噪 声放 大 器 原 理 是 一 样 的 。 有 时 盒 体 的 上  盖要 贴 敷 微 波 吸 收 材 料 , 以减 小 空 间 耦 合 所 引 起 的  带 内增 益起 伏 。   混合 集成的宽频带放大器 , 由于 频 带 宽 , 级 增  每 益低 , 尺 寸 必 然 较 长 , 总 因此 微 带 基 片要 采 取 措 施 压 

斜率要求 为△G= G d  , B
0. 5 B 0 0 d /1 MH z ~  

0 1 B 1 MH 。对  .d / 0 z

于 低 噪 声 放 大 器 

来 说 , 是 全 频 带  就 内增 益 变 化 要 平 缓 , 允 许 增 益 有  不 陡变 。  
2 3 动 态 范 围  .

紧在底板上 , 防止翘 曲。常用 的聚 四氟乙烯 纤 维压 
0  
图 1 放 大 器频 带特 性 

塑基 片容易翘曲。常用 的压紧方式是把基 片的空 闲   面积 全 部铺 满 接 地 金 属 层 , 钉 数 量 要 足 够 多 , 螺 同时 
把螺 钉 孔 的孔 壁 金 属 化 , 基 片上 的金 属 层 与 地 金  使 属层 连通 , 一 步 改 善 接 地 状 况 。 进   ③电路 的优化 应包括 主要 电路 的分布参 数 , 金  属孔 化 , 连 续 的 节 点 和 集 中 参 数 元 件 的 分 布 电 感  不

动态范 围是指低 噪声放大器输入信号允许 的最  小 功率 和最大功率 的范 围。动态范 围的下 限是受 噪  声性 能所 限。 当放大器 的噪声系数 Ⅳ 已给定 时 , , 输 
入信号 功率允许最小值是 为 :  
P =N ( o   M 。 … f Kr ̄ )  

等以及考 虑器件 s参数和 噪声参数 的离散性 。  
④ 电 路 的 布 局 要 尽 量 合 理 , 印 制 板 的 加 工 要  对
尽 可 能地 减 少损 耗 。  

⑤ 器 件 的选 择 :N C公 司 的 场 效 应 管 354和  E 28
42 8   44

式 中 ,  为 微 波 系 统 的 通 频 带 ( 如 中 频 放 大 器 通  △ 例
6  2 2 o  R d o En i e rn   1 3   O 4 a i   g n e ig Vo .4 NO . 2 1 

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工 程 应 用 
( ) 压 供 电  2偏 本 电路 采 用 双 电 源 供 电 , 漏 极 正 电压 和 栅 极  即 负 电 压 分 别 由正 压 和 负 压 两个 电 源 供 电 。   ( ) 化 设 计  3优 利 用 微 波 工 作 室 软 件 , G A E 对 a sF T管 子 S参 数  和 噪 声 参 数 进 行 分 析 , 计 了两 级 低 噪声 放 大 器 , 设 并  对 电路 进 行 模 拟 和 优 化 ( 要 是 对 输 入 和 输 出 传 输  主 线 , 路 线 和 短 路 线 , 子 特 性 呈 纯 阻 性 , 到 最 小  开 管 达 噪声 匹 配 ) 通 过 电路 调 试 ( G A E , 使 a sF T管 子 的 漏 极  工作 电 压 为 2 1 工 作 电 流 为 1m 栅 极 负 电 压 为  .v, 0 A; 幅 频 响 应 , 10~20 H 的 范 围 内 , 的 增 益 约 为  在 . .G z 它 2 ~3d 噪 声 系 数 约 为 0 7~08 B( 试 结 果 为  8 0 B, . .d 测
带 隔 离 器 时 的数 据 ,  

若 不 带 隔 离 器 则 测 
试 结 果 应 为 0 4~ .   0 5 B) .d ,驻 波 比 在  1 1 .G z的 范 围  . ~1 8 H

内 较 好 均 ≤12 d 。 .5B 
这 些 数 据 表 明 该 放 
图 4 驻 波 比 与 频 率 关 系 曲 线 

07 , .V 电流 可认 为是零 )软件修 正 , , 得到最终 电路  设计 。   ( ) 终 技 术 指 标  4最


大 器 的射频 特性较 好 。  

5 结 束语   
本 放 大 器 利 用 微 波 办 公 室 软 件 优 化 设 计 和 仿  真 , 放大器在研制 过程 中, 复协 调噪 声系数 、 该 反 增  益 、 坦 度 之 间 的矛 盾 , 复 调 节 噪 声 匹 配 及 负 反馈  平 反 的 深 度 , 复 调 节 放 大 器 各 指 标 间 的 相 互 矛 盾 , 复  反 反 更 改 电 路 的 结 构 形 式 , 来 匹 配 场 效 应 管 的 参 数 使  用

N   1 2 B已 在 输 入 和 输 出端 分 别 加 隔 离 器 , r .d  

可使 低 噪放 与 前 选 器 和 后 选 器 阻 抗 匹 配 , 可 在 一  也
定程 度 上 防 止 低 噪 声 放 大 器 发 生 弱 自 激 ) G , 
2 d AG 8 B,   ±0. d   2 B。

4 实 际测量 结果 
由图2~图4 的测 试 数 据 可 以 看 出 , 放 大 器 的  该
10   

之达到最佳工作状态 ; 噪声低 , 益高 , 积小 , 增 体 重量 
轻 , 本 低 ,作 为 接 收 机 的射 频 前 端 , 成 已成 功 地 应 用  于 多 种 无 人 机 信 息 传 输 系 统 中 , 在 电 子 对抗 、 星  还 卫
通 讯 等 方 面被 广 泛 地 应 用 。  
参考文 献 

÷ 

. 5 :一2 卜 =I I    fa ̄ —8 薹 +l …   — C T 
10    1    2 14    16    18    20   

[] 1 中国集成 电路 大全编委 会编 . 波集成 电路 . 微 北京 : 国防工业 出版 
社 . 9 5. 19  

频率/ z GH  

作者简 介 



云  男,00年 毕 业 于 河北 大学 电信 学 院 电子 工 程 专 业 , 20  

图 2 增 益 与频 率关 系曲线  图 3 噪 声与 频 率关 系曲 线 

现主要 在五 十 四所遥控部 从 事微 波 电路 的设计 和 生产 工作。  

( 搔 第 7页 ) 上  

是 显 著 的 。本 文 以 WP N 为 例 也 进 一 步 说 明 了 智  A

应 跳 频 有 了很 大 的 提 高 。 采 用 不 同 的 接 收 机 技 术 ,   智 能 跳 频 系 统 性 能 差 别 也 很 大 , 果 采 用 传 统 的 相  如 关 检 测 技 术 , Pcnt 目超 过 5个 的 情 况 下 性 能  在 ioe 数

能跳频系统不 同寻常 的性能 。  
参 考文 献 

.  | .

【 M. . n ad R. Shl , us  ai : o    rs IE   o   1 J z wi n  A.c oz I l R do H w i Wok ,E E C m. t mp e t muia o e es19 ,( ) 1 nct nLt r,9 8 2 1 :0—1 . i t 2  【 J M. ̄g , R l vadL R si ,suo hocT n I c   r 2 G. M gi N.uk  n  . cg ̄ P d —cat uer v n f   o o e i o g o U WB I Ierd … F7Ta 硼Hs  i I . rm Crusad S ̄ m —I20 ,8 1) l ao E1   i i n y e ct s ,014(2 .  

远不 如 M S M E接收机 。当然 M S M E接 收机导致 系统 
成 本 上 的增 加 是 不 容 忽 略 的 。   的值越小越 好 , 但  这是 以增加 系统 接收 机复 杂度 即增 加 系统 成本 、 降 

[ ] a  l m,E E P 0 . 5 W rl sPr nl r   e o s I E   3 M t We o IE   82 1 i e   e o a A e N t r , E b   es s   a w k E
P 0 1 0 /2 1 2 0   8 2. 5— 3 710. 0 3.

低系统信 道 利用 率 为代 价 的 。当  

+ 增大时,    

信道利用率 ( 一 一死)  就降低 。     /  

【 J . eFr C m ai no  H —MA C m nctn  s g O D ad 4  D   i S m, o pro  fF s   o muiai sU i   F M n  o n
D S— MA  y t ms fr W ie a d. d o c e s P o I S se   o   d b n Ra i A c s , r c. CUP Fi n e, C, r z   e

4 结束 语   
在 WP N 中 , 能 跳 频 思 想 对 于 不 同 标 识 码 的  A 智

Oto r   tb 5— 9. 9 8: 4 e 1 9 1 3~ 1 7. 4  

[ ] .adr n   . l g n A at e r unyH pi     FC m u 5 J Zn e adG Ma r , dp v  e ec opn i H   o ?   m e i Fq   g n  
ret n .E   rc C m u . 19 .4 ( ) 9 l i i ao8 IE Po .o n .9 5 12 2 :9~15  o.

P oe 形成 的 Sa e e实 际上 就是 协商 式 的跳频 。 i nt c ct m t t  
对于 U WB这 种 跳 频 频 点 数 少 而 系统 用 户 数 目灵 活 

作者简 介 

邓 天乐  男,1 4 , 京邮 电大学博 士生。1 6年毕 业 于南京  ( 7 ~)北 9 9 9 邮电学院 , 学士学位 , 获 无线通信 专业。1 9 9 年考 上北 京邮 电大学硕 士 9  
研 究生, 电路与 系统专 业, 方向为 无线局域 网与 无 线个人 区域 网。20  01

的系统 , 传统 的跳 频 方式 以及 自适 应跳频 都不 再适  合。而 这种智能跳 频 系统 , 只要 在 系统 复杂性 以及  成本 上 做 出 一 些 必 要 的 代 价 , 带 来 性 能 上 的 提 高  它

年 选择 直接攻读博 士学位 , 延续硕士的研 究方向以及 专业 。  

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