摘  要： 针对国内北斗行业的发展，介绍了一种适用于北斗B3频段的低噪声放大器的设计原理和设计方法，并给出了设计结果。为了达到更好的增益，采用了3级级联的方式。最终设计出的低噪声放大器在B3频段内的增益为（40±0.5）dB，输入驻波系数小于1.5，输出驻波系数小于1.2，噪声系数小于1 dB，在全频段内无条件稳定。

　　关键词： 低噪声放大器；北斗；噪声系数

0 引言

　　随着国内北斗定位系统的不断完善，国内已有很多学者着手研究适用于北斗频段的天线和滤波器，本设计适用于BD3的低噪声放大器，将实现对BD3频段低噪声放大。低噪声放大器常用于接收系统的前端，其性能的好坏直接影响着整个系统的性能。低噪声放大器的性能指标主要是噪声系数、增益、工作频带、电压驻波比和带内平坦度等，尤其是噪声系数和增益对整机性能影响较大。如果工程中需要的增益比较大，就需要多级放大器级联，多个放大器级联的噪声系数为：

　　其中，Nf表示总的噪声系数，Ni表示第i级的噪声系数，Gi表示第i级的增益[1]。从式（1）可以看出，对整个系统的噪声系数影响比较大的是第一级的噪声系数，因此本文设计的重点在第一级，选择安华高公司的一种低噪声元器件ATF34143；考虑到整体尺寸的要求，第二级和第三极采用RFMD公司的SPF5043z。本文设计的LNA的中心频率为1 268.52 MHz，带宽为20 MHz，适用于北斗的B3频段（B1中心频率为1 268.52 MHz，带宽为20 MHz）。

1 技术指标

　　低噪声放大器的主要技术指标如下：工作频率为   1 258 MHz~1 278 MHz，中心频率为1 268.52 MHz，要求全频带稳定；增益>37 dB，平坦度<0.5 dB；噪声系数<1 dB，输入驻波比<1.5，输出驻波比<1.2；介电常数Er=2.65，板材厚度为0.8 mm；外形尺寸为20 mm ×40 mm。

2 系统结构和芯片的选择

　　高性能的低噪声放大器得益于它的高增益和低噪声系数，可以应用在转发器、抗干扰等更多的实际应用中。设计中对整体的结构布局如图1所示。

　　图1中第一级采用的是安华高公司的一种低噪声的元器件ATF34143，可以通过Advanced Design System（ADS）对其进行偏置电路的设计、稳定性分析以及输入输出的匹配；第二级和第三级选择了RFMD公司的SPF5043z（是一种集成的低噪声放大器模块，不需要额外的匹配电路），这样就大大节省了电路的尺寸，并缩小了空间尺寸。再者设计的第二级与第三级之间加入了带通滤波器TA0862a（一种输入输出都是50 、适用于B3的带通滤波器[2]），拥有较好的通带内的平坦度和带内损耗，如表1所示。

3 低噪声放大器电路的设计和匹配

　　第一级选用了低噪声元器件ATF34143，根据芯片的特点，选定了其在3 V、20 mA工作状态的S2P文件，与TRL校准提取的S参数比对以后进行了稳定性分析以及输入输出端的匹配。在ADS中导入S2P文件以后对电路做稳定性分析。

　　稳定性要满足的3个条件：

　　K称为稳定判别系数，K>1是稳定状态。只有当3个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的[1]。一般采取的稳定性措施有：（1）引入负反馈；（2）在管子的输入或者输出端口串并联电阻。这两种方法都有效，但是一般在设计中往往采取多种方法相组合的方式来做稳定[3]。图2是已经做好稳定性的电路，在其输入端口并联了50 ?赘的电阻，输出端口串联了一个22 和并联了一个500 ?赘的电阻，并加入了负反馈。图3为稳定性曲线，可以看到在0~10 GHz大于1的情况下都是稳定的，确保了芯片工作在稳定状态。

　　在设计低噪声放大器时，既要求最好的噪声系数，又要求最大的增益。因此在调节整个电路的稳定性时，就要考虑到最好增益和最佳噪声系数之间的关系[4]，图4为等增益圆和等噪声系数的smith圆图。

　　最佳噪声和增益点的匹配是低噪声放大器设计关键，GammaS是源反射系数的最佳值，是从分立元件向源看去的。图4中增益圆，其步进为1 dB，增益圆圆心代表着最佳增益点，短实连续线为等噪声系数圆，其步进为0.2 dB，其圆心代表着最佳的噪声点。因此，为了获得较好的噪声系数和较好的增益，在设计的过程中尽量使S*11与GammaS相接近。图4中m6为BD3的中心频率1 268 MHz的S11（实线）所在的点，对其取共轭，可以想象它与GammaS非常接近。调整好最佳的源反射系数以后，就要对其进行输入输出匹配，匹配的电路如图5所示。仿真结果如图6所示。

　　第二级和第三级采用的是RFMD公司的SPF5043z，它是一种理论上不需要匹配的集成的低噪声放大器模块，但是实际中可能需要调整，这对于整体的电路设计尺寸来说减少了后两级的匹配网络，大大节省了空间，缩小了整体的尺寸，这对于实际工程应用意义重大。芯片手册给出的SPF5043z的电路如图7所示[5-6]。

4 测试的结果

　　低噪声放大器的测量内容主要为S参数和噪声系数，S参数的测量采用Agilent的矢量网络分析仪，测量的结果如图8所示，图中的中心频率为1 268.52 MHz，Span=20 MHz，图中包含S11、S21、S12、S22以及输入输出端的smith圆图，输入端口的回波损耗>20 dB，换算后的输入端口的驻波系数<1.2，输出端口的回波损耗>20 dB，换算后的输出端口的回波损耗<1.2，增益以及平坦度为（40±0.5） dB，满足设计要求。噪声系数的测量采用Agilent噪声分析仪测试，由于低噪声放大器的增益比较大，为保护噪声系数分析仪，在低噪声放大器的输出端口加入了20 dB左右的衰减器，确保其在安全范围内。最终测定的噪声系数以及加上20 dB衰减以后的增益如表2所示，噪声系数在通带内<1 dB，比较理想，增益与矢量网络分析仪测的相比也比较吻合，能够满足较多工程的应用要求。

5 结论

　　本文设计出的BD3低噪声放大器的性能参数满足设计要求，性能参数比较理想，其较低的噪声系数和较高的增益以及平坦度，可以应用在信号的接收、转发器、抗干扰等实际工程应用中，具有良好的应用前景。

参考文献

　　[1] 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2009.

　　[2] TAI-SAW Technology Co.. TA0862A 北斗B1和GPS L1的滤波器芯片资料[S].TAI-SAW Technology Co.，2013.

　　[3] LUDWIG R. RF circuit design： theory and applications[M].北京：电子工业出版社，2002.

　　[4] 卢洪树，张晓发，袁乃昌．带有新型偏置电路的X波段低噪声放大器设计[J].电子技术应用，2013，39（06）：40-42.

　　[5] ENGEN G F， HOER C A. Thru-reflect-line： an improved technique for calibrating the dual six-port automatic network analyzer[J].  IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1979，27（12）：987-993.

　　[6] RFMD.SPF5043z 芯片资料[S]. RF Micro Devices，2004.