ku波段寬帶低噪聲放大器研制

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1、Ku波段寬帶低噪聲放大器研制崔錚薛祝和李斌范慶元（中國科學(xué)院上海天文臺上海200030）摘要：低噪聲放大器（LNA）是微波接收機(jī)前端中的重要組成部分。低噪聲放大器的性能將決定著接收機(jī)的信噪比大小。本文介紹了一種寬帶Ku波段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)原理和方法，并給出了仿真結(jié)果。該放大器采用NEC公司的NE3210S01場效應(yīng)晶體管（FET），利用三級級聯(lián)的方式來達(dá)到較高的增益和較好的增益平坦度。仿真后在11-13GHz范圍內(nèi)增益（29.7±0.5）dB，噪聲溫度小于55K，S11,S22小于-25dB。關(guān)鍵

2、詞：低噪聲放大器；噪聲系數(shù)；級連匹配Abstract:Lownoiseamplifier(LNA)isanimportantpartasthefrontendofthemicrowavereceiver.TheperformanceoftheLNAwilldeterminethesignaltonoiseratio(SNR)ofthemicrowavereceiver.WeintroducedthedesignprincipleandmethodofaKubandLNAandgivetheemula

3、tionalresult.FETNE3210S01ofNECCompanywasusedinthisdesign.Athree-stagetopologywasusedtoachievehighgainandbettergainflatness.Aftersimulated,theresultwithagainof(29.7±0.5)dB,noisetemperaturelessthan55K,S11,S22lessthan-25dB.Keywords:lownoiseamplifier(LNA);

4、noisefigure(NF);seriesmatching1引言寬帶Ku-波段接收機(jī)的研制目的，其主要用途是接收地球同步衛(wèi)星信號用全息測量法做天線面高精度調(diào)整及甲醇脈澤譜線的觀測。射電望遠(yuǎn)鏡的基本原理和光學(xué)反射望遠(yuǎn)鏡相似，投射來的電磁波被一精確鏡面反射后，同相到達(dá)公共焦點(diǎn)。用旋轉(zhuǎn)拋物面作鏡面易于實(shí)現(xiàn)同相聚焦，因此，射電望遠(yuǎn)鏡天線大多是拋物面。射電望遠(yuǎn)鏡表面和一理想拋物面的均方誤差如不大于λ/10～λ/6，該望遠(yuǎn)鏡一般就能在波長大于λ的射電波段上才能有效地工作。因此，射電望遠(yuǎn)鏡工作波長越短天線面精度

5、要求就越高，而經(jīng)典射電望遠(yuǎn)鏡是由多塊面板拼接而成，做面板精度調(diào)整時(shí)，用全息法[15]代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量是一極佳手段，并且用全息法實(shí)現(xiàn)大型射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)主動面調(diào)整，達(dá)到不同仰角的保型工作狀態(tài)。在全息法測量時(shí)，理想要求選用一顆仰角為30至60度范圍內(nèi)的一顆Ku波段的地球同步衛(wèi)星，由于測站地理位置的不同，就應(yīng)選取不同衛(wèi)星為目標(biāo)，這是我們選擇制做Ku波段全寬帶低噪聲放大器的原因之一。其次，對銀河系內(nèi)的脈澤源進(jìn)行觀測，高精度地測定脈澤源各個(gè)子源的位置和自行，用視差原理，可以高精度地直接測定銀河系內(nèi)天體的距離，這對研

6、究我們銀河系的結(jié)構(gòu)和演化、暗物質(zhì)的分布等有著決定性的意義[1]。下面我們將討論一下低噪聲放大器設(shè)計(jì)時(shí)所需要的理論分析和實(shí)際設(shè)計(jì)中所需注意的事項(xiàng)。2電路設(shè)計(jì)理論分析低噪聲放大器（lownoiseamplifier，LNA）是射頻接收前端的主要部分。它位于接收機(jī)的最前端，主要作用是將來自天線的微弱信號進(jìn)行小信號放大，保證足夠的信噪比。其中低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和增益對整機(jī)性能影響較大[4]。噪聲系數(shù)的定義：放大器的輸入信噪比和輸出信噪比的比值稱為噪聲系數(shù)。即：（4）進(jìn)一步推導(dǎo)可得（5）因?yàn)檩斎氲脑肼暱梢?/p>

7、由（6）來表示所以可以推出（7）一般我們用對數(shù)形式來表示噪聲系數(shù)[5]，即：NF=10logF(8)在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在射電天文領(lǐng)域，往往用等效噪聲溫度來代替噪聲系數(shù)。等效噪聲溫度的定義為將有噪聲的網(wǎng)絡(luò)假想成為無噪網(wǎng)絡(luò)加上一個(gè)等效的輸入噪聲，這個(gè)噪聲溫度就是這個(gè)有噪網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度。(9）它和噪聲系數(shù)的關(guān)系為Te=T0（F-1）（10）由于本次我們采用的放大管是HEMT管，所以這里討論的微波晶體管指的就是HEMT管。對放大管進(jìn)行兩端口分析，它的噪聲系數(shù)F可以表示為[7]：（11）式中是晶體管的最

8、小噪聲系數(shù)；是獲得時(shí)的源反射系數(shù)；Rn是晶體管的等效噪聲電阻；是任意的源反射系數(shù)（<1），F(xiàn)是對應(yīng)于這個(gè)源反射系數(shù)的晶體管的噪聲系數(shù)。對應(yīng)的噪聲溫度可表示為：（12）其中最佳噪聲源阻抗Ropt+jXopt,源阻抗Rs+jXs，噪聲電導(dǎo)gn及最小噪聲溫度Tmin。通過上式可以看出噪聲溫度是由最小噪聲溫度Tmin和由最佳噪聲源阻抗Ropt+jXopt，源阻抗Rs+jXs，噪聲電導(dǎo)gn共同影響的匹配電路決定的。由于HEMT和本例采用的GaAsMESFET存在類似的輸出特性，