低噪聲放大器

噪聲放大器(LNA)主要面向移動通信基礎(chǔ)設(shè)施基站應(yīng)用，例如收發(fā)器無線通信卡、塔頂放大器(TMA)、組合器、中繼器以及遠(yuǎn)端/數(shù)字無線寬帶頭端設(shè)備等應(yīng)用設(shè)計，并為低噪聲指數(shù)(NF, Noise Figure)立下了新標(biāo)竿。目前無線通信基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)正面臨必須在擁擠的頻譜內(nèi)提供最佳信號質(zhì)量和覆蓋度的挑戰(zhàn)，接收器靈敏度是基站接收路徑設(shè)計中最關(guān)鍵的要求之一，合適的LNA選擇， 特別是第一級LNA可以大幅度改善基站接收器的靈敏度表現(xiàn)，低噪聲指數(shù)也是關(guān)鍵的設(shè)計目標(biāo)，Avago提供了1900MHz下0.48dB同級產(chǎn)品最佳的噪聲指數(shù)。 另一個關(guān)鍵設(shè)計為線性度，它影響了接收器分辨緊密接近信號和假信號分別的能力，三階截點OIP3可以用來定義線性度，在1900MHz和5V/51mA的典型工作條件下，Avago特有的GaAs增強模式pHEMT工藝技術(shù)可以帶來0.48dB的噪聲指數(shù)和35dBm的OIP3，在2500MHz和5V/56mA的典型工作條件下，噪聲指數(shù)為0.59dB，OIP3則為35dBm。通過低噪聲指數(shù)和高OIP3，這些Avago的新低噪聲放大器可以提供基站接收器路徑比現(xiàn)有放大器產(chǎn)品更大的設(shè)計空間。

可調(diào)整能力和共通引腳安排帶來設(shè)計優(yōu)化和靈活度

內(nèi)置有源偏壓電路，Avago低噪聲放大器的工作電流可以調(diào)整，使設(shè)計工程師可以在工作功耗和輸出線性度間進行取舍，通過OIP3的測量并維持最佳的噪聲指 數(shù)，基站設(shè)計工程師可以擁有使用相同Avago低噪聲放大器滿足各種設(shè)計需求和不同地區(qū)要求的靈活度。 由于必須在發(fā)射和接收電路卡中加入更多的通信頻道，印刷電路板的空間也成為基站設(shè)計工程師所面臨的另一項關(guān)鍵設(shè)計挑戰(zhàn)，Avago選用了小型4 mm2的QFN封裝來滿足這個市場需求，這兩款新低噪聲放大器采用和Avago現(xiàn)有900MHz低噪聲放大器MGA-633P8相同的封裝尺寸、引腳安排和外部匹配電路，可以在不同頻帶工作的所有基站射頻前端設(shè)計上使用共通的印刷電路板設(shè)計，減少為不同頻帶和地區(qū)市場提供基站解決方案時所需要的印刷電路板設(shè)計數(shù)量。

·1500MHz到2300MHz工作

同級最佳噪聲指數(shù)(NF):0.48dB @ 1900MHz

35dBm OIP3

17.8dB增益

21dBm P1dB @ 1900MHz

·2300MHz到4000MHz工作

低噪聲指數(shù)(NF):0.59dB @ 2500MHz

35dBm OIP3

17.5dB增益

22dBm P1dB @ 2500MHz

·單一5V電源，低功耗

典型51mA (1500MHz - 2300MHz)

典型56mA (2300MHz - 4000MHz)

·器件采共通引腳安排和匹配電路

簡化印刷電路板設(shè)計和生產(chǎn)

·采用特有工藝:0.25μm GaAs增強模式pHEMT

封裝和溫度范圍

這兩款低噪聲放大器采用2.0 x 2.0 x 0.85 mm大小，符合RoHS要求的8引腳表面貼裝QFN封裝供貨，所有器件都可以在-40oC到+85oC的寬廣溫度范圍下工作。

地球站的品質(zhì)因數(shù)(G/T)主要取決于天線和低噪聲放大器(LNA)的性能。接收系統(tǒng)的噪聲溫度Ts是指折算到LNA輸入端的系統(tǒng)等效噪聲溫度，它主要由天線噪聲溫度TA、饋線損耗LALA和低噪聲接收機噪聲三個部分組成，如圖所示。

因此Ts之值為

Tss==Te ++ TaTA/LaA ++(1 -- 1/LaLA)To

式中:

TsTs為接收系統(tǒng)噪聲溫度

To為接收系統(tǒng)折算到LNA輸入端的等效噪聲溫度

TaTA為天線噪聲溫度

LaLAA為饋線損耗(真值)

To 為環(huán)境溫度(To==293K)

可以算出，當(dāng)饋線損耗增大0.1dB時，系統(tǒng)噪聲溫度就要增加約6.7K。可見饋線損耗對系統(tǒng)噪聲溫度影響極大，故饋線要盡可能短。實際上地球站的LNA往往直接安裝在饋源尾端的機艙中。

噪聲系數(shù)很低的放大器。一般用作各類無線電接收機的高頻或中頻前置放大器，以及高靈敏度電子探測設(shè)備的放大電路。在放大微弱信號的場合，放 大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴(yán)重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。由放大器所引起的信噪比惡化程度通常用噪聲系數(shù)F來表示。理想放大器的噪聲系數(shù) F=1(0分貝)，其物理意義是輸出信噪比等于輸入信噪比?，F(xiàn)代的低噪聲放大器大多采用晶體管、場效應(yīng)晶體管;微波低噪聲放大器則采用變?nèi)荻O管參量放大器，常溫 參放的噪聲 溫度Te可低于幾十度(絕對溫度)，致冷參量放大器可達20K以下，砷化鎵場效應(yīng)晶體管低噪聲微波放大器的應(yīng)用已日益廣泛，其噪聲系數(shù)可低于 2 分貝。放大器的噪聲系數(shù)還與晶體管的工作狀態(tài)以及信源內(nèi)阻有關(guān)。為了兼顧低噪聲和高增益的要求，常采用共發(fā)射極一共基極基聯(lián)的低噪聲放大電路。

在放大微弱信號的場合，放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴(yán)重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。由放大器所引起的信噪比惡化程度通常用噪聲系 數(shù)F(見放大)來表示或用取對數(shù)值的噪聲系數(shù)FN表示FN=10lgF(dB)

理想放大器的噪聲系數(shù)F=1(0分貝),其物理意義是輸出信噪比等于輸入信噪比。設(shè)計良好的低噪聲放大器的FN可達3分貝以下。在噪聲系數(shù)很低的場合,通常也用噪聲溫度Te作為放大器噪聲性能的量度:Te=T0(F-1)。式中T0為室溫。在這里，它和噪聲溫度Te的單位都是開爾文(K)。

多級放大器的噪聲系數(shù)F主要取決于它的前置級。若F1，F2，…，Fn依次為各級放大器的噪聲系數(shù)，則式中A1,…，An-1依次為各級放大器的功率增益。前置級的增益A1越大,則其后各級放大器對總噪聲系數(shù)F的影響越小。

單級放大器的噪聲系數(shù)主要取決 于所用的有源器件及其工作狀態(tài)?，F(xiàn)代的低噪聲放大器大多采用晶體管、場效應(yīng)晶體管;微波低噪聲放大器則采用變?nèi)荻O管參量放大器，常溫參放的噪聲溫度Tθ可低于幾十度(絕對溫度)，致冷參量放大器可達20K以下。砷化鎵場效應(yīng)晶體管低噪聲微波放大器的應(yīng)用已日益廣泛，其噪聲系數(shù)可低于2分貝。

晶體管的自身噪聲由下列四部分組成。①閃爍噪聲，其功率譜密度隨頻率f的降低而增加，因此也叫作1/f噪聲或低頻噪聲。頻率很低時這種噪聲較大，頻率較高時(幾百赫以上)這種噪聲可以忽略。②基極電阻rb'b的熱噪聲和。③散粒噪聲，這兩種噪聲的功率譜密度基本上與頻率無關(guān)。④分配噪聲，其強度與f的平方成正比，當(dāng)f高于晶體管的截止頻率時,這種噪聲急劇增加。圖1是晶體管噪聲系數(shù)F隨頻率變化的曲線。對于低頻，特別是超低頻低噪聲放大器,應(yīng)選用1/f噪聲小的晶體管;對于中、高頻放大，則應(yīng)盡量選用高的晶體管，使其工作頻率范圍位于噪聲系數(shù)-頻率曲線的平坦部分。

場效應(yīng)晶體管沒有散粒噪聲。在低頻時主要是閃爍噪聲，頻率較高時主要是溝道電阻所產(chǎn)生的熱噪聲。通常它的噪聲比晶體管的小，可用于頻率高得多的低噪聲放大器。

放大器的噪聲系數(shù)還與晶體管的工作狀態(tài)以及信源內(nèi)阻有關(guān)。圖2是考慮了自身噪聲的放大器模型。us和Rs分別為信源電壓和內(nèi)阻,Rs的熱噪聲電壓均方值等于4kTRs墹f，式中T為絕對溫度，k為玻耳茲曼常數(shù)，墹f為放大器通帶。放大器自身噪聲用噪聲電壓均方值和噪聲電流均方 值表示，它們是晶體管工作狀態(tài)的函數(shù)，可以用適當(dāng)方法來測量。這樣，放大器的噪聲系數(shù)F可寫作放大管的直流工作點一旦確定,和亦隨之確定，這樣，噪聲系數(shù)F將主要是信源內(nèi)阻Rs的函數(shù)。Rs有一使F為最小的最佳值(圖3)。

在工作頻率和信源內(nèi)阻均給定的情況下，噪聲系數(shù)也和晶體管直流工作點有關(guān)。發(fā)射極電流IE有一使噪聲系數(shù)最小的最佳值,典型的F-IE曲線如圖4所示。

晶體管放大器的噪聲系數(shù)基本上與電路組態(tài) 無關(guān)。但共發(fā)射極放大器具有適中的輸入電阻，F為最小時的最佳信源電阻Rs和此輸入電阻比較接近，輸入電路大體上處于匹配狀態(tài)，增益較大。共基極放大器的輸入電阻小，共集電極放大器的輸入阻抗高，兩者均不易同時滿足噪聲系數(shù)小和放大器增益高的條件，所以都不太適于作放大鍵前置級之用。為了兼顧低噪聲和高增益的要求，常采用共發(fā)射極-共基極級聯(lián)的低噪聲放大電路。

LNA經(jīng)歷了早期液氦致冷的參量放大器、常溫參量放大器的發(fā)展過程，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，近幾年已被微波場效應(yīng)晶體管放大器所取代，此種放大器具有尺寸小、重量輕和成本低的優(yōu)異特性。特別是在射頻特性方面具有低噪聲、寬頻帶和高增益的特點。在C、Ku、Kv 等頻段中已被廣泛的使用，目前常用的低噪聲放大器的噪聲溫度可低于45K。

微波低噪聲放大器裝置在微波接收機的輸入端，放大接收機的噪聲電平，直接決定接收機所能夠接收的最低信號電平，所以低噪聲放大器對提高接收機的靈敏度具有重要作用。微波低噪聲放大器由微波低噪聲晶體管及微帶電路組成，利用散射參量進行設(shè)計。微波低噪聲晶體管隨著工藝，結(jié)構(gòu)、材料的進步，發(fā)展很快。

第1章 射頻電路設(shè)計與主要仿真軟件簡介 1

1.1 無源器件工程設(shè)計和仿真軟件HFSS介紹 1

1.2 有源器件工程設(shè)計和仿真軟件ADS介紹 2

1.3 微波系統(tǒng)工程設(shè)計介紹 4

第2章 射頻放大器的設(shè)計 6

2.1 低噪聲放大器技術(shù)及一般設(shè)計方法 6

實例1：基于AT-41511的低噪聲放大器設(shè)計 6

實例2：C波段低噪聲放大器設(shè)計 10

實例3：毫米波低噪聲放大器設(shè)計 15

實例4：C波段放大器設(shè)計 18

2.2 普通放大器的技術(shù)及一般設(shè)計方法 20

實例5：L波段放大器 20

實例6：中頻MF放大器設(shè)計 21

2.3 功率放大器技術(shù)及一般設(shè)計方法 22

實例7：900MHz功放設(shè)計 22

實例8：毫米波功放設(shè)計 30

實例9：高頻HF功放設(shè)計 32

2.4 功放預(yù)失真技術(shù)及設(shè)計方法 35

實例10：二極管預(yù)失真線性化功放的設(shè)計 35

2.5 Doherty 功放技術(shù)及設(shè)計方法 38

實例11：一種Doherty 功放的設(shè)計 39

第3章 頻率源的設(shè)計 42

3.1 VCO技術(shù)及振蕩器一般設(shè)計方法 42

實例12：200MHz VCO的設(shè)計 43

實例13：一種900MHz振蕩器的設(shè)計 45

實例14：1 800MHz VCO的設(shè)計 46

3.2 PLL技術(shù)及設(shè)計 49

實例15：用ADISimPLL設(shè)計3GHz點頻鎖相環(huán) 50

實例16：用ADS設(shè)計880~915MHz的PLL 53

3.3 雙環(huán)頻率合成器的設(shè)計 58

實例17：一種改善相噪的900MHz雙環(huán)頻率源設(shè)計 58

3.4 介質(zhì)振蕩器技術(shù)及設(shè)計 60

實例18：一種10.5GHz介質(zhì)振蕩器的設(shè)計 60

實例19：一種9GHz介質(zhì)振蕩器的設(shè)計 64

3.5 DDS頻率源技術(shù)及設(shè)計 66

實例20：DDS頻率源的設(shè)計 66

實例21：DDS+PLL頻率源的設(shè)計 68

第4章 混頻器的設(shè)計 72

4.1 單端混頻器設(shè)計 72

實例22：二極管混頻器的設(shè)計 72

實例23：三極管混頻器的設(shè)計 74

4.2 單平衡混頻器設(shè)計 77

實例24：二極管單平衡混頻器的設(shè)計 77

4.3 雙平衡混頻器技術(shù) 81

實例25：二極管雙平衡混頻器的設(shè)計 81

4.4 基于RFIC/MMIC的混頻電路設(shè)計 82

實例26：一種U波段混頻電路的設(shè)計 82

實例27：一種毫米波混頻電路的設(shè)計 83

第5章 微波濾波器、雙工器和多工器設(shè)計 85

5.1 波導(dǎo)濾波器的設(shè)計 85

實例28：一種K波段波導(dǎo)濾波器的設(shè)計 85

實例29：一種KU波段圓腔雙模濾波器的設(shè)計 88

5.2 介質(zhì)濾波器的設(shè)計 90

實例30：一種L波段介質(zhì)濾波器的設(shè)計 90

5.3 微帶濾波器的設(shè)計 94

實例31：平行耦合微帶濾波器設(shè)計 94

實例32：發(fā)夾形微帶濾波器設(shè)計 96

實例33：交指微帶濾波器設(shè)計 98

實例34：微帶低通濾波器的設(shè)計 99

實例35：微帶高通濾波器的設(shè)計 100

實例36：毫米波微帶濾波器的設(shè)計 102

實例37：交叉耦合微帶濾波器的設(shè)計 104

實例38：一種新型混合耦合微帶濾波器的設(shè)計 106

5.4 同軸腔體濾波器的設(shè)計 108

實例39：900MHz同軸濾波器的設(shè)計 108

實例40：四腔同軸交叉耦合濾波器的設(shè)計 110

實例41：三腔同軸交叉耦合濾波器的設(shè)計 112

實例42：交指濾波器的設(shè)計 114

5.5 螺旋濾波器的設(shè)計 117

實例43：350MHz螺旋濾波器的設(shè)計 117

實例44：800MHz螺旋濾波器的設(shè)計 120

5.6 LC濾波器的設(shè)計 122

實例45：LC低通濾波器的設(shè)計 122

實例46：LC高通濾波器的設(shè)計 124

實例47：LC帶通濾波器的設(shè)計 126

實例48：LC加極點帶通濾波器的設(shè)計 128

實例49：一種新型高性能LC帶通濾波器的設(shè)計 130

實例50：大功率LC濾波器的設(shè)計 132

5.7 雙工器的設(shè)計 133

實例51：腔體雙工器的設(shè)計 133

實例52：交叉耦合同軸雙工器的設(shè)計 135

實例53：波導(dǎo)雙工器的設(shè)計 137

實例54：LC雙工器的設(shè)計 138

5.8 射頻多工器的設(shè)計 140

實例55：同軸多工器的設(shè)計 140

實例56：LC多工器的設(shè)計 140

第6章 功率分配器的設(shè)計 143

6.1 電抗功分器的設(shè)計 143

實例57：二功分電抗功分器的設(shè)計 143

實例58：三功分電抗功分器的設(shè)計 145

實例59：四功分電抗功分器的設(shè)計 146

6.2 環(huán)形橋功分器和威爾金森功分器的設(shè)計 148

實例60：2GHz環(huán)形橋功分器設(shè)計 148

實例61：威爾金森功分器的設(shè)計 150

6.3 波導(dǎo)功分器和一種新型功分器的設(shè)計 151

實例62：一種新型大功率同軸腔體功分器設(shè)計 151

實例63：波導(dǎo)功分器的設(shè)計 153

第7章 耦合器的設(shè)計 156

實例64：蘭格耦合器的設(shè)計 156

實例65：寬帶腔體式電橋的設(shè)計 158

實例66：微帶分支線型耦合器的設(shè)計 159

實例67：波導(dǎo)分支線型耦合器的設(shè)計 161

實例68：一種新型毫米波波導(dǎo)窄邊耦合器的設(shè)計 162

實例69：波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計 163

實例70：一種新型同軸高方向性定向耦合器的設(shè)計 165

第8章 功率衰減器的設(shè)計 168

8.1 電阻衰減器的設(shè)計 168

實例71：T形電阻衰減器的設(shè)計 168

實例72：∏形電阻衰減器的設(shè)計 169

8.2 波導(dǎo)衰減器的設(shè)計 170

實例73：一種K波段波導(dǎo)衰減器的設(shè)計 170

8.3 PIN二極管電調(diào)衰減器的設(shè)計 172

實例74：一種PIN二極管電調(diào)衰減器的設(shè)計 172

第9章 微波開關(guān)的設(shè)計 175

9.1 PIN二極管微波開關(guān)的設(shè)計 175

實例75：一種PIN二極管微波開關(guān)的設(shè)計 175

9.2 同軸微波開關(guān)的設(shè)計 176

實例76：SPDT同軸微波開關(guān)的設(shè)計 176

實例77：DPDT同軸微波開關(guān)的設(shè)計 178

9.3 波導(dǎo)微波開關(guān)的設(shè)計 180

實例78：一種波導(dǎo)微波開關(guān)的設(shè)計 180

第10章 其他常用微波器件的設(shè)計 183

10.1 匹配電路的設(shè)計 183

實例79：LC匹配電路的設(shè)計 183

實例80：電阻匹配電路的設(shè)計 185

實例81：微帶單支節(jié)匹配電路的設(shè)計 185

實例82：微帶雙支節(jié)匹配電路的設(shè)計 187

實例83：微帶1/4波長匹配電路的設(shè)計 188

實例84：波導(dǎo)螺釘匹配的設(shè)計 190

10.2 隔離器與環(huán)形器的設(shè)計 192

實例85：一種微帶隔離器的設(shè)計 192

實例86：一種波導(dǎo)隔離器的設(shè)計 195

10.3 檢波器的設(shè)計 198

實例87：二極管檢波器的設(shè)計 198

實例88：一種毫米波檢波器的設(shè)計 199

10.4 倍頻器的設(shè)計 200

實例89：MMIC放大倍頻器的設(shè)計 200

實例90：一種二極管倍頻器的設(shè)計 201

10.5 調(diào)幅電路移相器的設(shè)計 205

實例91：二極管環(huán)形調(diào)幅電路設(shè)計 205

實例92：一種PIN移相器的設(shè)計 205

第11章 射頻系統(tǒng)發(fā)射機的設(shè)計 208

實例93：發(fā)射信道設(shè)計和包絡(luò)仿真 208

實例94：一次變頻方案發(fā)射機的設(shè)計 214

實例95：二次變頻方案發(fā)射機的設(shè)計 215

實例96：一種KU發(fā)射機的設(shè)計 216

第12章 射頻系統(tǒng)接收機的設(shè)計 218

實例97：一種超外差接收機的設(shè)計 218

實例98：一種零-中頻接收機的設(shè)計 219

實例99：一種低-中頻接收機的設(shè)計 223

實例100：接收信道設(shè)計及接收誤碼率仿真 224