摘 要： 針對國內北斗行業的發展，介紹了一種適用于北斗B3頻段的低噪聲放大器的設計原理和設計方法，并給出了設計結果。為了達到更好的增益，采用了3級級聯的方式。最終設計出的低噪聲放大器在B3頻段內的增益為（40±0.5）dB，輸入駐波系數小于1.5，輸出駐波系數小于1.2，噪聲系數小于1 dB，在全頻段內無條件穩定。
關鍵詞： 低噪聲放大器；北斗；噪聲系數
0 引言
隨著國內北斗定位系統的不斷完善，國內已有很多學者著手研究適用于北斗頻段的天線和濾波器，本設計適用于BD3的低噪聲放大器，將實現對BD3頻段低噪聲放大。低噪聲放大器常用于接收系統的前端，其性能的好壞直接影響著整個系統的性能。低噪聲放大器的性能指標主要是噪聲系數、增益、工作頻帶、電壓駐波比和帶內平坦度等，尤其是噪聲系數和增益對整機性能影響較大。如果工程中需要的增益比較大，就需要多級放大器級聯，多個放大器級聯的噪聲系數為：
其中，Nf表示總的噪聲系數，Ni表示第i級的噪聲系數，Gi表示第i級的增益[1]。從式（1）可以看出，對整個系統的噪聲系數影響比較大的是第一級的噪聲系數，因此本文設計的重點在第一級，選擇安華高公司的一種低噪聲元器件ATF34143；考慮到整體尺寸的要求，第二級和第三極采用RFMD公司的SPF5043z。本文設計的LNA的中心頻率為1 268.52 MHz，帶寬為20 MHz，適用于北斗的B3頻段（B1中心頻率為1 268.52 MHz，帶寬為20 MHz）。
1 技術指標
低噪聲放大器的主要技術指標如下：工作頻率為 1 258 MHz~1 278 MHz，中心頻率為1 268.52 MHz，要求全頻帶穩定；增益>37 dB，平坦度<0.5 dB；噪聲系數<1 dB，輸入駐波比<1.5，輸出駐波比<1.2；介電常數Er=2.65，板材厚度為0.8 mm；外形尺寸為20 mm ×40 mm。
2 系統結構和芯片的選擇
高性能的低噪聲放大器得益于它的高增益和低噪聲系數，可以應用在轉發器、抗干擾等更多的實際應用中。設計中對整體的結構布局如圖1所示。
圖1中第一級采用的是安華高公司的一種低噪聲的元器件ATF34143，可以通過Advanced Design System（ADS）對其進行偏置電路的設計、穩定性分析以及輸入輸出的匹配；第二級和第三級選擇了RFMD公司的SPF5043z（是一種集成的低噪聲放大器模塊，不需要額外的匹配電路），這樣就大大節省了電路的尺寸，并縮小了空間尺寸。再者設計的第二級與第三級之間加入了帶通濾波器TA0862a（一種輸入輸出都是50 、適用于B3的帶通濾波器[2]），擁有較好的通帶內的平坦度和帶內損耗，如表1所示。
3 低噪聲放大器電路的設計和匹配
第一級選用了低噪聲元器件ATF34143，根據芯片的特點，選定了其在3 V、20 mA工作狀態的S2P文件，與TRL校準提取的S參數比對以后進行了穩定性分析以及輸入輸出端的匹配。在ADS中導入S2P文件以后對電路做穩定性分析。
穩定性要滿足的3個條件：
K稱為穩定判別系數，K>1是穩定狀態。只有當3個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩定的[1]。一般采取的穩定性措施有：（1）引入負反饋；（2）在管子的輸入或者輸出端口串并聯電阻。這兩種方法都有效，但是一般在設計中往往采取多種方法相組合的方式來做穩定[3]。圖2是已經做好穩定性的電路，在其輸入端口并聯了50 ?贅的電阻，輸出端口串聯了一個22 和并聯了一個500 ?贅的電阻，并加入了負反饋。圖3為穩定性曲線，可以看到在0~10 GHz大于1的情況下都是穩定的，確保了芯片工作在穩定狀態。
在設計低噪聲放大器時，既要求最好的噪聲系數，又要求最大的增益。因此在調節整個電路的穩定性時，就要考慮到最好增益和最佳噪聲系數之間的關系[4]，圖4為等增益圓和等噪聲系數的smith圓圖。
最佳噪聲和增益點的匹配是低噪聲放大器設計關鍵，GammaS是源反射系數的最佳值，是從分立元件向源看去的。圖4中增益圓，其步進為1 dB，增益圓圓心代表著最佳增益點，短實連續線為等噪聲系數圓，其步進為0.2 dB，其圓心代表著最佳的噪聲點。因此，為了獲得較好的噪聲系數和較好的增益，在設計的過程中盡量使S*11與GammaS相接近。圖4中m6為BD3的中心頻率1 268 MHz的S11（實線）所在的點，對其取共軛，可以想象它與GammaS非常接近。調整好最佳的源反射系數以后，就要對其進行輸入輸出匹配，匹配的電路如圖5所示。仿真結果如圖6所示。
第二級和第三級采用的是RFMD公司的SPF5043z，它是一種理論上不需要匹配的集成的低噪聲放大器模塊，但是實際中可能需要調整，這對于整體的電路設計尺寸來說減少了后兩級的匹配網絡，大大節省了空間，縮小了整體的尺寸，這對于實際工程應用意義重大。芯片手冊給出的SPF5043z的電路如圖7所示[5-6]。
4 測試的結果
低噪聲放大器的測量內容主要為S參數和噪聲系數，S參數的測量采用Agilent的矢量網絡分析儀，測量的結果如圖8所示，圖中的中心頻率為1 268.52 MHz，Span=20 MHz，圖中包含S11、S21、S12、S22以及輸入輸出端的smith圓圖，輸入端口的回波損耗>20 dB，換算后的輸入端口的駐波系數<1.2，輸出端口的回波損耗>20 dB，換算后的輸出端口的回波損耗<1.2，增益以及平坦度為（40±0.5） dB，滿足設計要求。噪聲系數的測量采用Agilent噪聲分析儀測試，由于低噪聲放大器的增益比較大，為保護噪聲系數分析儀，在低噪聲放大器的輸出端口加入了20 dB左右的衰減器，確保其在安全范圍內。最終測定的噪聲系數以及加上20 dB衰減以后的增益如表2所示，噪聲系數在通帶內<1 dB，比較理想，增益與矢量網絡分析儀測的相比也比較吻合，能夠滿足較多工程的應用要求。
5 結論
本文設計出的BD3低噪聲放大器的性能參數滿足設計要求，性能參數比較理想，其較低的噪聲系數和較高的增益以及平坦度，可以應用在信號的接收、轉發器、抗干擾等實際工程應用中，具有良好的應用前景。
參考文獻
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