http://www.paper.edu.cn 基于 ADS2006A 的 UHF 频段低噪声放大器的设计 刘辕, 阚能华, 王中航 （电子科技大学电子工程学院 四川 成都 610054） Email: liuyuanq4@sina.com 摘要: 在通信接收系统设计过程中，为了提高接收机灵敏度，通常降低噪声系数来完成 设计。因此，处在接收系统前端位置的低噪声放大器就起着重要的作用。本文首先讲述了低 噪声放大器的一些主要技术指标，然后使用 ADS 软件进行低噪声放大器的设计。利用 ADS2006A 的优化功能进行优化，得到较佳的结果。噪声系数小于 0.2dB（优于参考数据）， 输入输出驻波比都小于 1.2。 关键词：低噪声放大器，噪声系数，ADS 中图分类号：TN722 文献标识码：A 1.引言 在通信系统中，接收系统是一个比较难设计的部分。接收系统必须具有低的噪声系数、 小的群延迟变化、小的互调失真、大的频率动态范围、稳定的自动增益控制、适当的射频和 中频增益、好的频率稳定度、满意的增益平坦度、低相位噪声、可以忽略的带内干扰、足够 的可选择性、适当的误比特率等特点[1]。而整个接收系统中噪声系数基本上取决于前级放 大器的噪声系数，因此，低噪声放大器在任何射频与微波接收系统中都处于前端位置，具有 相当重要的地位。 2.主要技术指标 2.1 LNA 的噪声系数和噪声温度 在接收系统中，其灵敏度可以通过以下公式计算： MDS（dBm）= -174 dBm + 10lgBW + NF （1） 式中，BW 为接收机的噪声带宽，或大约下降 6dB 的带宽（一般为 3dB 带宽） NF 为接收机的噪声系数，单位为 dB 从上式可以看出可以降低噪声系数来增加接收机的灵敏度[1]。 低噪声放大器的噪声系数 NF 的定义也如一般器件的噪声系数定义： NF  NS in N S / / out （2） in out 式中， NF：为射频器件的噪声系数； Sin，Nin 分别为输入端的信号功率和噪声功率； Sout，Nout 分别为输出端的信号功率和噪声功率。 噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏， 信噪比下降的倍数就是噪声系数。 1 

http://www.paper.edu.cn 通常，噪声系数用分贝数表示，此时 NF ( dB )  10 lg( NF ) （3 ） 放大器输入的噪声功率是信号源阻抗在 T =293K 时产生的热噪声，因此，放大器自身 0 产生的噪声也常用等效噪声温度 T 来表达。噪声温度 Te 与噪声系数 NF 的关系是[2] e Te  T 0  ( NF  )1 （4） 2.2 稳定条件 一个微波管的射频稳定性判断如下 1  S 11 K  2 2  2 2 S  22 SS 11 22 2 S － 11 SS1 12 (5) 21 S 22 2 SS1 － 12 21 其中 ＝ SS － 11 22 SS 12 21 K 称为稳定性判别系数，当 K>1 是稳定状态，只有当式（5）中的三个条件都满足时， 才能保证放大器是绝对稳定的。否则，即为潜在不稳定状态。 实际设计时为了保证低噪声放大器稳定工作要注意使放大器避开潜在不稳定区[2]。 2.3 输入输出驻波比 低噪声放大器设计中，主要指标是噪声系数。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，所以输入匹配网络的设计是在获得所要 求的噪声系数的前提下，尽量得到最优的输入驻波比。而输出匹配网络一般是为获得最大功 率和最低输出驻波比而设计的。在设计低噪声放大器的匹配电路时，低噪声放大器的输入端 总是存在某种失配。这种失配在某些情况下会使系统不稳定，一般情况下，为了减小放大器 输入端失配所引起的端口反射对系统的影响，可用插损很小的隔离器等措施来解决。 2.4 三阶交调系数和 1dB 压缩点 尽管低噪声放大器处于系统的前级，基本工作于弱信号状态，但是高增益放大情况下或 微波传输处于上衰落时仍有可能是低噪声放大器末级进入非线性区。因此，以免在接收机后 级造成严重的非线性失真，对于低噪声放大器的非线性要求远比功率放大器要高。一般应选 择低噪声放大器的输入三阶交调点（IIP3）要较高一点，至少比最大输入信号高 30dB，以 免大信号输入时产生非线性失真。 有时为了方便测量，也采用 1dB 功率压缩点作为非线性指标。二者近似关系：1dB 压缩 点所对应三阶交调系数为-23dBc[2],[3]。 3.设计目标及仿真结果 2 

http://www.paper.edu.cn AgilentADS(Advanced Design System)软件是美国安捷伦公司在 HP EESOF 系列 EDA 软 件基础上发展完善起来的大型综合设计软件，是专为方便电路与系统设计工程师开发设计各 种形式的电路而研发的电子设计软件。本文讲述的主要是借助 ADS 强大的辅助功能来完成 低噪声放大器的Ｓ参数、稳定度、噪声系数、输入输出驻波比以及增益各个指标的仿真，并 且利用软件的优化功能进行各系数的优化来完成低噪声放大器的设计，得到更佳的技术指 标。 我们选用 ATF54143 来达到设计的目标，并与给定的参数进行比较。 设计性能指标： 频率：855MHz-915MHz 增益 G：>18dB 噪声系数 NF：<0.2dB 输入驻波比：<1.2 输出驻波比：<1.2 首先，参考已有的资料选择偏置电路，使用 ADS 软件对设计的低噪声放大器进行初步仿 真，但各指标不能达到要求的性能。然后，完成匹配电路设计后，利用软件的优化功能，选 择输入输出驻波比以及噪声系数作为优化目标，以匹配电路元件值作为优化变量，优化后达 到所要求的结果。其中，图 1 是基于 ADS 设计的原理图，图 2 至图 5 为低噪声放大器的噪 声系数仿真结果。在图 2 中可以看出在 855MHz 一 915MHz 频段上噪声系数 NF<0.2dB。图 3 为低噪声放大器的增益特性频率响应，在 900MHz 频点上，增益大约为 18.29dB。图 4 为整 个低噪声放大器的输入输出回波损耗频率响应，其中的红线是输入回波损耗，蓝线是输出回 波损耗，在整个工作频段内输入回波损耗小于-21dB，输出回波损耗小于-20dB。 图１基于 ADS 的原理图 3 

图２ 噪声系数仿真结果图 图 3 增益特性频率响应图 http://www.paper.edu.cn 图 4 输入输出回波损耗频率响应图 4 

http://www.paper.edu.cn 图 5 稳定系数结果图 4.结语 仿真后，在 900MHz 频点上与 ATF54143 所给的参考数据进行比较，比较后发现设计仿 真得到的噪声系数比所给的参考数据 0.2dB 要小，但增益 18.29dB 和 1dB 压缩点 15.2dBm 都比参考数据要低。即整个低噪声放大器的设计过程中，各个指标不能同时达到最优化,所 以,必须折中考虑低噪声放大器的性能要求，优先满足所要求的性能指标，完成设计。 参考文献 [1] Cotter W.Sayre.无线通信设备与系统设计大全[M]. 张之超，黄世亮，吴海云等,译. 人民邮电出版社.2004. [2] 湖南山，洪兴楠，等.微波集成电路[M].国防工业出版社. [3] 陈雪密，唐瑞波.基于 ADS 低噪声放大器的设计[J]. [4] 张冬雪，陈世勇，梁吉申.L 波段低噪声放大器的设计[J].电子设计应用，2008.2. The Design Of The UHF Band Low Noise Amplifier Based On ADS2006A Liu Yuan , Kan Neng Hua, Wang Zhong Hang (School of Electronic Engineering of UESTC, ChengDu, SiChuan, 610054, China) Abstract On the design of the receive system in communication,to reduce the noise always is a useful way to improve the sensitivity of the system. So , the low noise amplifier(LNA) plays a important role at the forward section of the system. At first,this article introduces the parameters of LNA. Then It shows the design of the LNA with ADS. After the optimization and the simulation of ADS2006A, the results become better.the noise figure is lower than 0.2dB（better than the references）,the VSWRs of the input and the output are less than 1.2. Key word: Low Noise Amplifier(LNA),Noise Figure,ADS 5