低噪声放大器(LNA)是射频微波电路接收前端的主要部分，由于他位于接收机的最前端，要求他的噪声越小越好，但又要求有一定的增益，最小噪声和最大增益一般不能同时满足，获取最小噪声和最大功率是矛盾的，一般电路设计总是选择折中的方案来达到设计的要求，以牺牲一定的增益来获得最小噪声，而在射频微波通信电路中，需要处理微弱的射频微波信号，因此，讨论合适的低噪声放大器电路的设计具有非常实际的意义。安捷伦公司的ATF54143是一种增强型伪高电子迁移率晶体管(E-pHEMT)，不需要负栅极电压，与耗尽型管相比较，可以简化排版而且减少零件数，该晶体管最显著的特点是低噪声，并具有高增益、高线性度等特性，他特别适用于工作频率范围在450 MHza～6 GHz之间的蜂窝／PCS／wCDMA基站、无线本地环路、固定无线接入和其他高性能应用中的第一阶和第二阶前端低噪声放大器电路中。

1 级联电路噪声分析

噪声是指电路中不期望的扰动或者干扰，本质上是一个随机过程，既可以由电路器件本身引入。也可以由电磁耦合引入。在实际电路中，任何无源器件或有源器件都可以看成是等效的噪声源，一般有源器件的噪声大于无源器件的噪声。在放大电路的噪声分析中，多数情况下使用噪声系数进行计算比较方便。噪声系数NF定义为：在标准室温(290 K)下，放大电路的输出总噪声功率与中由输入端电阻的热噪声导致的噪声可用功率的比值[1，2]。噪声系数NF可表示为：

其中，T0为标准室温；Te为放大电路输入端的等效噪声温度；G为放大电路的可用功率增益；B为频带宽度；K为玻尔兹曼常数。噪声系数是一个比值，用对数表示为：

当射频放大电路级联在一起时，两级放大电路的可用功率增益分别为G1，G2，噪声系数分别为NF1，NF2，等效噪声温度分别为Te1，Te2，如图1所示。

根据噪声系数的定义，该级联放大电路的噪声系数可以表示为：
由此可知，级联放大电路的噪声系数主要取决于电路的第一级，因此，级联低噪声放大电路设计的关键在前级，要求其NF足够小，一般设计时第一级采用最小噪声系数来进行设计，而后面可采用最大增益来设计。

2 稳定性分析

在射频放大电路设计中，需要考虑在不同的工作条件下电路工作的稳定性，射频放大电路的稳定性是指放大电路抑制环境变化，是维持通信系统正常工作的一个重要因素，设计中都希望电路能有比较高的稳定性，当一个射频放大电路变得不稳定时，该电路将无法完成正常的放大功能，反而出现类似振荡电路的行为，射频放大电路通常把放大电路作为一个S参数已知的双端口网络来进行讨论。根据放大电路的不同，可以有绝对稳定和有条件稳定2种稳定条件，而绝对稳定又是设计者所追求的目标，如果放大电路满足了绝对稳定条件，在一定的频率范围内，对于任何的信号源阻抗和负载阻抗，射频放大电路一定呈现稳定状态。设计基于有源两端口网络的放大电路时，绝对稳定条件非常有价值，如满足绝对稳定条件，可以简化放大电路的设计，提高效率。

对于绝对稳定条件，常用的判断方法有两参数判断准测(K-△)参数[3]，当同时满足：K＞1和│△│＜1时，这时放大电路处于绝对稳定状态。其中：

该方式只能给出绝对稳定的判定准则，无法给出器件的稳定程度，可以使用单参数(μ参数)判定，不仅可以给出绝对稳定的判据，而且可以达到比较稳定的程度。单参数判定准则：

如果μ＞1，则有源器件处于绝对稳定状态；如果μ＜1，则有源器件工作在潜在不稳定或者不稳定状态。μ值越大，说明稳定性越好，在射频放大电路中可以通过选择高μ值的有源器件来改善电路的稳定性。对于处于不稳定或潜在不稳定的电路，可以在添加源极负反馈电路来改善电路的稳定性。但同时，电路的其他特性可能也因此会受到影响。

3 匹配电路设计

匹配电路是射频放大电路的一个重要组成部分，通过加入匹配电路，可以保障电路的正常工作，一般匹配电路包括输入、输出和级间匹配电路，根据电路的不同需求设计匹配电路，借助Smith圆图完成匹配电路的设计。在射频匹配电路设计中，除了通常采用获得最大传输功率外，还可以使用获得最小噪声系数、最大频率响应、最大功率容量等。 最大传输功率设计和最小噪声系数设计要求的最佳条件是不一样的，低噪声放大电路，由于处于射频系统的前端，其噪声系数决定了系统性能的好坏，根据对噪声系数的分析，级联放大电路的第一级应采用最小噪声系数匹配，后级电路以考虑功率增益为主。

用射频晶体管构成的放大电路，一般可以等效为有源两端口网络，其噪声系数[4]可表示为：

其中， 为两端口网络等效归一化电阻，Ys＝gs＋jbs为以Ts表示的归一化源导纳，Yopt＝gopt＋jbopt为归一化源导纳的最优值，当满足条件Ys＝Yopt时，即当Ts＝Topt时，噪声系数有最小值NF＝NFmin。所以在设计低噪声放大电路时，由于第一级放大电路对系统的噪声贡献最大，对于其输入匹配网络，为实现最小噪声系数，使Ts＝Topt而后一级电路主要考虑增益和稳定性，采用共轭匹配的方法，晶体管与输入输出电路间达共轭匹配，匹配网络的增益达最大，电路设计如图2所示。

4 偏置电路设计

射频有源电路通常都需要提供直流供电网络，使射频有源器件能工作在特定的电压电流下，在晶体管放大电路中，偏置电路为晶体管提供合适的静态工作点，如果偏置电路设计不当，会影响电路的功率增益、噪声系数，甚至会导致放大电路的不稳定。在本电路设计中，采用无源偏置电路。为了提高直流偏置电路的稳定性，引入直流负反馈，减少静态工作点的变动，通常在发射极串联一个电阻形成电流串联负反馈，提高静态工作点的稳定性，同时为减少发射极串联电阻对放大电路增益的影响，在电阻上并联一个电容，形成对交流信号的通路，避免对交流信号形成反馈。但是使用电阻负反馈，会引入新的热噪声，所以采用电感负反馈[5]，同时，采用电感负反馈电路，电感的阻值随着频率的上升而增加，有效地抑制了高频谐波干扰与互调分量，扩大了放大器的线性范围。

5 结果分析

因为最大转换功率设计、最小噪声系数设计要求的最佳设计条件是不一样的，不能同时满足。在低噪声放大电路设计中，总是以牺牲一定的功率增益G和驻波比VSWR来换取的，所以通常取噪声系数和功率增益的折中方案。电路的设计的过程中，使偏置电路在带内必须使射频微波信号与直流分量隔离，源极电路选取合适的反馈，对第一级放大电路优先考虑噪声系数，后一级放大电路主要考虑稳定性，因为其对噪声的影响比较小，通过对电路调试，折中各种因素，分析仿真结果(见图3～图5)，电路各项主要指标都达到了设计要求，并有一定的裕量。

6 结 语

本文主要讨论低噪声放大电路的主要技术指标和主要电路设计过程，基于增强型pHEMT ATF54143进行放大电路设计，通过ADS进行多次调试仿真，得到了满意的低噪声放大电路。