低噪声放大器的仿真设计

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                1  引言

                         随着通信技术的飞速发展，人们对各种无线通信工具的要求也越来越高，这就要求对系统的接收灵敏度提出更高的要求，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是低噪声放大器（LNA）。低噪声放大器在任何微波接收系统中都处于前端位置，这是因为微波系统的噪声系数基本上取决于前级放大器的噪声系数，所以LNA是接收机系统中相当重要的一个部件。LNA的主要作用是放大天线从空中接收的微弱信号，降低噪声干扰，为使接收信号能被后级电路有效的接收和处理，LNA应具有一定的增益，但是过高的增益会导致信号非线性失真和噪声的提高，因此增益不能太高。一般来说，LNA的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机的动态范围等结合起来考虑。本文研究设计的LNA的主要技术指标为：回波损耗小于-15dB，放大器的增益约为13dB，输入输出VSWR不大于1.5，并且噪声系数小于1.6，放大器工作在稳定状态。
                          
                        2  输入输出匹配电路的设计

                        2.1  输入匹配电路的设计

                         在设计LNA的匹配电路的时候，输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计，为接近最佳噪声匹配网络而不是最佳功率匹配网络，而输出匹配网络一般是为获得最大功率和低VSWR而设计。所以在设计LNA的时候，可以通过等噪声圆和等增益圆来综合设计，而本文主要是利用Agilent ADS软件设计LNA，这样大大的简化了设计的复杂性。
                          
                         这里采用ADS中的DA_SSMatch匹配来设计输入匹配电路，由于这种匹配方法要用到放大器的输入阻抗，因此有必要先通过仿真得出三极管的输入阻抗，然后再设计输入匹配电路。
                          
                         由仿真得输入阻抗为18.892+j×6.813，然后以此来设计输入匹配电路并仿真，图1的仿真结果可以看到，匹配良好且VSWR为-32dB，符合输入匹配的设计指标要求。
                          
                        2.2  输出匹配电路的设计

                         输出匹配电路采用串并联电感电容的方法来设计，这里采用ADS软件的调谐功能来设计输出匹配电路。图2为经过多次调谐所得到的较好的输出匹配电路。
                          
                         由图2的仿真结果可以看出，输出电路已经实现了很好的匹配且符合指标的要求。但是由于输出匹配电路的引入，必然会对输入匹配电路产生影响并使其失配，由于直流偏置的引入也必然会对输入输出匹配电路造成影响，所以这里先不考虑输出匹配电路对输入匹配电路产生的影响，而是先设计好直流偏置网络，然后综合各部分来优化电路。