低噪聲放大器（LNA）是現代雷達、射頻通信、測試儀器、電子戰系統中的重要部分。在接收系統中，它總是處于前端的位置，其主要作用是放大天線接收到的微弱信號，并以足夠高的增益克服后續各級（如混頻器）的噪聲，制約著整個接收系統的性能。隨著通信、雷達技術的發展，對微波LNA的要求越來越高，因此研制合適的寬頻帶、高增益、更低噪聲系數的放大器，已經成為微波系統設計中的核心技術之一[1]。

1 低噪聲放大器的設計理論
    LNA的性能指標主要是噪聲系數、增益、工作頻率、電壓駐波比和帶內平坦度等，其中噪聲系數和增益對整機性能影響較大。要實現最小噪聲系數傳輸，必須使負載阻抗與源阻抗相匹配，這就需要插入匹配網絡。放大管存在最佳源阻抗Zopt，LNA的輸入端應按Zopt進行匹配，此時放大器的噪聲系數最小。為了獲得較高的功率增益和較好的輸出駐波比，輸出端采用共軛匹配方式。如果增益不夠，則需要采用多級放大器。
    
式中，Nf為放大器整機噪聲系數，Nfn和Gn分別是第n級放大器的噪聲系數和功率增益。由式(1)可知，在多級網絡級聯時，放大器的噪聲系數主要由第一級決定。因此，要獲得好的噪聲性能，必須按最佳噪聲匹配設計輸入匹配電路。
    低噪聲放大器要有一定的增益，其大小要適中。太大會使后面的混頻器由于輸入太大而產生非線性失真；而為了抑制后面各級對系統噪聲系數的影響，增益又不能太小[3]。
    需要特別注意的是，微波放大器由于器件內部S12的作用會產生內部反饋，可能使放大器工作不穩定而導致放大器的自激，因此在做端口匹配前，先要判斷放大器的穩定性。判斷放大器絕對穩定的條件[4]為：

    結合表1數據和式(2)可知，FHX13是絕對穩定的，而FHX35存在潛在不穩定性，因此需要注意后兩級匹配電路的設計。
2.4 匹配網絡的設計
    為了同時滿足增益和噪聲這兩大主要指標，本文采用雙向設計法，利用等資用功率增益圓和等噪聲系數圓相結合的方法來實現既能滿足噪聲系數要求，又能滿足增益要求的低噪聲放大器[5]。
    首先在ADS中畫出等資用功率增益圓和等噪聲系數圓[6]，取頻率點為10.5 GHz，經過仿真后的結果如圖1所示。其中，細線是等增益圓，m1點是最大增益點；粗線是等噪聲系數圓，m2點是最小噪聲系數點。為了兼顧噪聲系數和增益，選用m3點作為匹配設計點，圖中顯示了該點處呈現在放大器輸入端的源反射系數ГS為0.692/139.959，利用Smith圓圖對輸入網絡進行匹配設計。

2.5 直流偏置電路的設計
    偏置電路至關重要，合理的偏置能讓放大器工作在最佳狀態下。由于單電源自給偏壓偏置缺乏靈活性，且源極不能直接到地，影響增益和噪聲系數，還容易產生自激，所以本文采用雙電源設計直流偏置電路，如圖3所示。

    為了使直流偏置電路與射頻電路之間互不影響，在電源與晶體管之間加入了中心頻率的四分之一波長微帶線；為了實現更寬頻率范圍的良好濾波特性，采用了扇形開路塊作為偏置濾波電路；為了減小直流偏置電路所引入的噪聲，還在電源處添加了電容去耦。
    此外，本設計的直流偏置電路的最大特點是采用了直流偏置反饋控制技術，可以避免因溫度等因素的變化而對電路性能造成影響，提高了該電路的穩定性。如圖3所示，當溫度變化導致Ids增大時，由于三極管發射極的電流很小，可忽略不計，從而導致電阻R4上分壓增大，發射極電壓變小，基極與發射極之間的電壓變小，進而使得集電極電流變小，Vgs變小。根據微波放大管的特性曲線，當Vgs變小時會引起Ids變小，因而可以維持之前的靜態工作點，保持電路的穩定工作。
3 測試結果及分析
    根據仿真結果得到的尺寸和結構，采用介電常數較為穩定的Rogers的RO4350B（介電常數為3.66，厚度為0.508 mm，銅箔厚度為0.035 mm，損耗角為0.003）作為微帶電路的材料基片。
    對實體電路進行測試時，需要加上放大器的蓋板并涂上吸波材料，以降低腔體效應的影響。使用Agilent公司的E8363A矢量網絡分析儀測試增益和輸入回波損耗，測試結果如圖4所示。圖4顯示，在頻率為10.5 GHz時的增益為34.54 dB，輸入回波損耗優于-10 dB，并且在10.2 GHz～10.8 GHz的頻帶內，增益和輸入回波損耗都達到了設計指標。
   

其中，ENR使用R&S公司的FSP-40頻譜分析儀進行測試，測試結果如圖5所示。由圖5可知，輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關閉時的時差為12.07 dB。在頻率為10.5 dB時，從ENR頭讀出的NF值為13.71 dB。根據式(4)得到噪聲系數為1.92 dB(小于2 dB)，因此滿足設計的要求。

    圖6顯示了在不同溫度條件下對電路進行測試的情況：圖6(a)顯示在溫度為80 ℃時測得的在10.2 GHz～10.8 GHz的頻帶內的增益(虛線所示)以及輸入回波損耗(實線所示)；圖6(b)顯示在溫度為120 ℃時測得的在10.2 GHz～10.8 GHz的頻帶內的增益(虛線所示)以及輸入回波損耗(實線所示)。經過測試，在溫度為80℃時，該LNA的噪聲系數為1.93；在溫度為120 ℃時，該LNA的噪聲系數為1.93。通過上述對比發現，在溫度發生變化時，所設計的低噪聲放大器的性能沒有明顯變化，能夠滿足工程設計的需要。
    本文利用等資用功率增益圓和等噪聲系數圓相結合的方法，設計了一個工作在X波段、不受溫度變化影響、高增益的低噪聲放大器。該放大器具有調試簡單、穩定可靠、成本低廉、體積小的特點，大小僅為43.6 mm×34 mm×15 mm，使得小型化模塊系列產品更加完善，進一步拓寬了低噪聲放大器的應用領域。
參考文獻
[1] 陳愛萍，趙明，文斌.一種L波段低噪聲放大器的設計與仿真[J].計算機仿真，2011，28(6)：389-392.
[2] 陳邦媛.射頻通信電路[M].北京：科技出版社，2003.
[3] 嚴蘭芳.C波段低噪聲放大器的設計[J].大眾科技，2010，26(11)：352-355.
[4] POZAR D M.微波工程(第三版)[M]．張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京：電子工業出版社，2006.
[5] 陳天麟.微波低噪聲晶體管放大器[M].北京：人民郵電出版社，1983.
[6] 陳艷華，李朝輝，夏瑋.ADS應用詳解—射頻電路設計與仿真[M].北京：人民郵電出版社，2008.