微波低噪声放大器的原理与设计

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1、海量资料超值下载微波低噪声放大器的原理与设计一、实验目的1．了解射频放大器的基本原理与设计方法；2．利用实验模组实际测量以了解放大器的特性；3．学会使用微波软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果。二、实验原理在一个无线接收系统中，为了获得良好的总体系统性能，需要一个性能优越的前端，而低噪声放大器（LNA）就是前端的一个重要组成部分。低吸声放大器电路结构：低噪声放大器作为射频信号传输链路的第一级，必须满足以下要求：首先，具有足够高的增益及接收灵敏度；其次，具有足够高的线性度，以抑止干扰和防止灵敏度下降；第三，端口匹配良好，信号能够有效地传

2、输。另外，还要满足有效隔离、防止信号泄漏以及稳定性等方面的要求。通常，射频电路端口要与50Ω阻抗匹配，为了满足输入端功率匹配条件，一般采用源极串联电感反馈匹配结构，如图15-1所示。图15-2是该结构的小信号图。图15-1源极串联电感反馈匹配结构⑫海量资料超值下载图15-2源极串联电感反馈匹配结构的小信号图在图15-1、图15-2中，Lg为栅极串联电感，LS为源极串联电感，Cgs为等效栅源电容。由图15-2可得：当谐振时有：其中，这种结构用电感来等效实电阻进行阻抗匹配，没有引入过多的噪声，因此被广泛采用。在频率较高的频段设计制作放大器，通

3、常采用场效应管FET。影响放大器的噪声系数的因素有很多，除了选用性能优良的元器件外，电路的拓扑结构是否合理也是非常重要的。放大器的噪声系数和信号源的阻抗有关，放大器存在着最佳的信号源阻抗，如图15-3所示。此时，放大器的噪声系数是最小的，所以放大器的输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设计，也即根据FET的Γopt来进行设计。为了获得较高的功率增益和较好的输出驻波比，输出匹配电路则采用共轭匹配。输入匹配电路在达到最佳噪声匹配时，放大器的输入阻抗不一定恰好与信号源阻抗匹配，因而功率放大倍数不是最大。设计低噪声放大器，首要考虑的是噪声要尽可能低

4、，其次才是增益的问题。因此，牺牲一点增益来换取噪声系数降低是必要的，两者之间应该取一个合适的折中。图15-3噪声系数和信号源阻抗的关系此外，因FET都存在着内部反馈，当反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏而导致自激，因此在作端口匹配前，先要判断场效应管的稳定性。一个微波管的射频绝对稳定条件是：⑫海量资料超值下载式（15-1）其中为拓展放大器的工作频带，在进行宽带放大器的设计时，我们需要考虑FET功率增益随频率的滚降(通常为6dB倍频程)，FET输入和输出端的增益带宽限制及放大器在整个宽频带范围内的稳定性。为使电路结构尽可能简单，

5、我们采用反馈型电路结构，即从漏级加反馈到栅极，达到拓展工作频带、提高电路稳定性的目的。在多级低噪声放大器中，输入端口对最佳噪声系数匹配，而级间和输出端口针对增益最大和平坦度进行匹配设计。关键参数指标及其含义：低噪声放大器的主要指标是噪声系数、增益、工作频段、电压驻波比以及增益平坦度，尤其是噪声系数和增益对整机性能影响较大。1.增益(G)：G=Pout/Pin式（15-2）2.噪声系数(NF)：式（15-3）式中Nx是出现在放大器的输出端，由放大器内部产生的噪声。NF=10logF式（15-4）即NF=10log（）所以，噪声系数NF就代表

6、了放大器自身噪声贡献的大小。3.输入、输出反射损耗及电压驻波比（VSWR）反射损耗（RL⑫海量资料超值下载）是在输入信号保持不变的情况下，从短路器反射的电压与从被测负载反射的电压值比，并用dB表示。RL=20log式（15-5）式中，ρ为被测负载的反射系数。式（15-6）式（15-7）4.1dB压缩点输出功率(P-1)：随着输入功率的增加，当放大器的增益被压缩了1dB时的输出功率，即为1dB压缩点输出功率。P-1是表示一个放大器的非线性特性和输出能力的一项重要指标。图15-41dB压缩点示意图1.三阶交调截止点：它是一个衡量器件线性度和失

7、真性能的重要指标。在模拟微波通信中，交调失真会产生邻道信号串扰，在数字微波通信中，会降低系统的频谱利用率，使误码率恶化。容量越大的系统，对IP3的要求越高；IP3越高，表示器件的线性度越好，失真越少，因此，准确测量IP3的大小也显得由为重要。为了防止频谱仪因输入信号过大而自身产生过载和失真，不建议学生自行测量，仅将测试方法介绍如下：当两个或多正弦信号经过放大器时，此时由于放大器的非线性作用，会输出包括多种频率的分量，其中以三阶交调分量的功率电平最大，它是非线性中的三次项产生的，假设两基频信号的频率分别是F1和F2，那么，三阶交调分量的频率

8、为2F1-F2和2F2-F1，由于该频率落在频带内，是我们关注的非线性产物（如图15-5所示）。⑫海量资料超值下载图15-5微波器件非线性产生邻道干扰如图15-6所示是基频信号与三阶交调信号随