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低噪声放大器设计

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低噪声放大器设计

摘要

低噪声放大器（LNA）是接收机的第一级有源电路，它本身应该有很低的噪声并提供足够的增益以抑制后续电路的噪声。由于接收机的输入信号变化范围可以达到80dB以上，如从几个微伏的小信号到几十毫伏的大信号，低噪声放大器应同时具备放大小信号和接受大信号的能力。为了将小到几个微伏的输入信号放大到一定程度而不被噪声淹没，LNA本身应具有很小的噪声和足够的增益。为了接受大信号而不产生失真，LNA应有良好的线性度。

本次设计使用AWRMWO设计软件设计，LNA采用的晶体管为MGF4921AM，两级结构，电路基板为Ro4003C（厚度：0.5mm），中心频率为3.5GHz，带宽为400MHz，在中心频率处的增益为26.638dB，平坦度为0.711dB，带内驻波比小于2，噪声系数为1.172dB@3.52GHz，1.066dB@3.28GHz，1.308dB@3.72GHz。

目录

TOC\o1-2\h\z\u摘要 2

设计、仿真和电路实现 4

设计指标 4

设计方法简述 4

仿真过程和结果 5

版图设计和实物 15

测试过程、结果及分析 18

测试环境和过程 18

测试结果和分析 18

总结 23

致谢 23

参考文献 23

作者简介 23

设计、仿真和电路实现

本次设计的为中心频率为3.5GHz的低噪声放大器，设计中对放大器的增益、带内平坦度和噪声系数进行了仿真和测试，并同时测试了输入驻波比、增益压缩和互调特性。

设计指标

设计指标要求：晶体管：MGF4921AM，采用两级结构，微带基片：Ro4003C，板厚0.5mm，中心频率3.5GHz，带宽大于10%，NF小于1.5，增益大于25dB，带内平坦度1dB，输入驻波小于2。

设计方法简述

低噪声放大器是接收机的第一级有源电路，它本身应有很低的噪声并提供足够的增益以抑制后续电路的噪声。电路的噪声来源于首先是信号源内阻及匹配电路的电阻热噪声，如串联电容的寄生电阻噪声，再次就是晶体管的栅极电阻热噪声、沟道热噪声和闪烁噪声。噪声系数的定义为总的输出噪声功率除以信号源噪声产生的输出噪声功率，如

F?Nout,total

Nout,source

由于要采用两级结构，计算两级级联后的噪声系数

图1两级级联

1F ?F?F2?1

1

Gtotal

G

1

此式是考虑输入输出都完全匹配时得出的，即系统完全匹配。由看出要想实现低噪声系数必须前级的噪声系数很小，因为级联后的噪声系数由前级决定，所以设计时，采用了前级放大器为输入端匹配到最小噪声系数时的输入反射系数，而输出端实现最大增益匹配，即共轭匹配。对于第二级，就采用最大转换功率增益匹配，即输入输出同时共轭匹配。然后将两级级联即可。

仿真过程和结果

本次设计中，提供的晶体管是MGF4921AM，由于低噪声放大器接受的都是小信号，所以在设计时只考虑晶体管的小信号模型，即线性模型。因此我先从网上找到晶体管的datasheet，从中作出它的s2p文件如下：

!MGF4921AM (8/May/2011)

! Condition: Freq.=2to6GHz,VDS=2V,ID=15mA,Ta=25deg.

! Substrate: Ro4003C(er=3.55,0.5mm)

!

#GHzSMAR50

! f S11 S21 S12 S22

!(GHz) Magn. Angle Magn. Angle Magn. Angle Magn. Angle

2

0.851

-61.9

6.821

126.7

0.066

55.4

0.313

-54.2

2.2

0.826

-68.4

6.756

121.7

0.072

52.5

0.308

-58.8

2.4

0.804

-74.0

6.578

117.2

0.077

49.7

0.298

-63.9

2.6

0.789

-78.5

6.248

113.4

0.082

46.3

0.292

-70.9

2.8

0.762

-84.7

6.160

108.7

0.085

44.5

0.270

-74.7

3

0.734

-91.7

6.063

103.8

0.090

41.9

0.262

-80.6

3.2

0.716

-96.8

5.857

100.0

0.094

39.4

0.255

-85.9

3.4

0.701

-102.0

5.661

96.2

0.097

36.6

0.246

-92.5

3.6

0.677

-107.8

5.544

91.9