兩路合成式LNA的噪聲系數(shù)分析與設(shè)計(jì)*

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

在檢測(cè)微弱信號(hào)時(shí)，為了提高系統(tǒng)的接收靈敏度，往往在接收機(jī)前端加低噪聲放大器以減小整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，尤其是接收靈敏度較高的接收系統(tǒng)，對(duì)前級(jí)的噪聲系數(shù)要求更高。目前，多路合成式接收機(jī)已越來越多地應(yīng)用于雷達(dá)和導(dǎo)彈系統(tǒng)中[1]，在各路輸入端陣列天線的性能及接收到的信號(hào)幅度一致情況下，影響系統(tǒng)噪聲系數(shù)的因素在文獻(xiàn)[1]中已進(jìn)行了定性分析。在某設(shè)備的應(yīng)用中，為了在不同的姿態(tài)中均能接收到信號(hào)，在其頭、尾部均裝有相差45°角的兩接收天線，工作時(shí)兩天線接收到的信號(hào)幅度差別大，主通路為天線信號(hào)強(qiáng)的一路，此時(shí)得出的結(jié)論是不一樣的。同時(shí)，前期設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品在進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使是完全對(duì)稱的設(shè)計(jì)，同一套兩端的噪聲系數(shù)大小不同，甚至有時(shí)無(wú)法體現(xiàn)噪聲系數(shù)的特性；不同套間的噪聲大小也有差異。本文針對(duì)應(yīng)用于某設(shè)備中的兩路合成式低噪聲放大器，分析討論了兩路放大器的增益不一致性以及輸入兩端信號(hào)幅度不一致時(shí)對(duì)噪聲系數(shù)的影響。

2 增益對(duì)噪聲系數(shù)影響的理論分析

兩路低噪聲放大器合成式系統(tǒng)，其噪聲系數(shù)的計(jì)算公式為[2]

(1)

式中，ΔNi為放大器內(nèi)部噪聲，Gi為放大器的增益，Si為輸入信號(hào)功率，So為輸出信號(hào)功率，Ni為輸入噪聲功率。

式(1)表明，合成后的噪聲與兩路放大器的輸入信號(hào)功率、輸入噪聲功率、放大器的增益及放大器的內(nèi)部噪聲有關(guān)。一般情況下，兩路放大器的器件是同一型號(hào)的，為方便計(jì)算，視ΔN=ΔN1=ΔN2。

2.1 增益不一致對(duì)噪聲系數(shù)測(cè)試的影響

以第二支路輸入端接負(fù)載到地，測(cè)試第一支路輸出噪聲系數(shù)為例，此時(shí)的輸入端信噪比只有Si1/Ni1一項(xiàng)，式(1)可寫成：

(2)

令G2=αG1，則式(2)可表示為

F=1+α+2ΔN/NiG1

(3)

再令α=1+Δ，χ=ΔN/NiG1，則式(3)可寫成

F=2(1+χ)+Δ

(4)

當(dāng)Δ=0，式(3)可寫為

F=2(1+χ)=3+10 lg (1+χ)(dB)

(5)

式(5)表示第一支路噪聲系數(shù)比單路放大器噪聲系數(shù)大3 dB，10 lgF-3，即為第一支路的輸出噪聲系數(shù)。

以0.5 dB的單路放大器的噪聲系數(shù)為例，當(dāng)測(cè)試出來的噪聲系數(shù)惡化±0.1 dB時(shí)，代入式(4)，計(jì)算出Δ≈±0.05，即第二路增益在第一路增益基礎(chǔ)上變化±5%時(shí)，噪聲系數(shù)惡化±0.1 dB。

2.2 輸入端均接天線時(shí)，增益不一致對(duì)噪聲系數(shù)的影響

為方便分析，視兩天線的性能完全一致，即Ni=Ni1=Ni2，令G2=αG1,Si2=βSi1，代入式(1)得：

(6)

當(dāng)α=1時(shí)，代入式(6)，此時(shí)噪聲系數(shù)與輸入信號(hào)幅度無(wú)關(guān)。

當(dāng)α≠1時(shí)，式(6)可寫成

(7)

合成輸出噪聲系數(shù)大小與α、β相關(guān)。

同樣，以0.5 dB的單路放大器的噪聲系數(shù)為例計(jì)算。當(dāng)β=1，即兩支路輸入端天線接收到的信號(hào)幅度一致時(shí)，可計(jì)算出±0.1 dB噪聲系數(shù)偏差時(shí)第二路增益在第一路增益基礎(chǔ)上變化±52%左右，也就是說此時(shí)噪聲系數(shù)對(duì)兩路增益的一致性要求不高，可高達(dá)3 dB的偏差；當(dāng)β=0.01，即第二支路天線接收到的信號(hào)幅度比第一支路天線接收到的信號(hào)幅度小20 dB時(shí)，可計(jì)算出±0.1 dB噪聲系數(shù)偏差時(shí)，第二路增益在第一路增益基礎(chǔ)上變化±5%左右，即表明信號(hào)幅度差20 dB以上時(shí)，噪聲系數(shù)等效2.1節(jié)的分析。

3 兩路合成式噪聲系數(shù)的ADS分析

上面理論分析了增益對(duì)測(cè)試及實(shí)際使用對(duì)輸出噪聲系數(shù)的影響。為了和理論計(jì)算進(jìn)行比較，仿真時(shí)所選用的器件均視為理想狀態(tài)。下面只通過ADS仿真軟件驗(yàn)證在測(cè)試試驗(yàn)情況下兩路放大器的增益變化對(duì)輸出噪聲系數(shù)的影響。

采用兩路增益為26 dB、噪聲系數(shù)為0.5 dB、輸入輸出駐波為理想狀態(tài)下的放大器(LNA1和LNA2)及理想狀態(tài)下的兩路等功分器組成的電路模型，通過改變輸入端的狀態(tài)及放大器部分參數(shù)，利用ADS仿真軟件，觀察其對(duì)噪聲系數(shù)的影響，具體結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 一路接負(fù)載時(shí)的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果Fig.1 Simulation result of the noise figure when a channel is connected with load

LNA1接源、LNA2接負(fù)載到地，得到第一支路輸出噪聲系數(shù)大小如圖1(a)所示，噪聲系數(shù)為3.56 dB，即表示第一支路輸出噪聲系數(shù)為0.56 dB。把LNA2的增益減小到24 dB，其它條件不變，得到第一支路輸出噪聲系數(shù)如圖1(b)所示，噪聲系數(shù)為2.66 dB，小于3，表示此情況下第一支路的輸出噪聲系數(shù)為-0.34 dB，結(jié)果為負(fù)數(shù)，已經(jīng)不能準(zhǔn)確反應(yīng)第一支路的實(shí)際輸出噪聲系數(shù)。把LNA2的增益增加到28 dB，其它條件不變，仿真得到第一支路的輸出噪聲系數(shù)如圖1(c)所示，噪聲系數(shù)增大到4.56 dB，第一支路輸出噪聲系數(shù)為1.56 dB，而此值也不能準(zhǔn)確地反應(yīng)第一支路的實(shí)際輸出噪聲系數(shù)值。

圖2 改變第二支路的增益和輸出駐波對(duì)噪聲系數(shù)的影響Fig.2 The effect of changing the second channel’s gain and output standing wave on the noise figure

如果第一支路放大器增益不變，第二支路放大器的增益變?yōu)?5.8 dB，結(jié)果如圖2(a)所示、合成后輸出噪聲系數(shù)為3.46 dB；如果第一支路放大器增益不變，第二支路放大器的增益變?yōu)?6.2 dB，結(jié)果如圖2(b)所示，合成后輸出噪聲系數(shù)為3.66 dB；如果兩支路放大器的增益均不變，把第二支路的輸出駐波由1改為1.5，則結(jié)果如圖2(c)所示，合成后輸出噪聲系數(shù)為3.66 dB。以上3種情況下，輸出噪聲系數(shù)均惡化0.1 dB，所以，兩路放大器的增益不一致性控制在±0.2 dB(5%)左右，兩路放大器的輸出駐波差別較小時(shí)，可以將合成后的輸出噪聲系數(shù)誤差控制在±0.1 dB以內(nèi)。

4 工程應(yīng)用設(shè)計(jì)

某設(shè)備中要求設(shè)計(jì)兩路合成式低噪聲放大器，其技術(shù)指標(biāo)要求：增益為(23±2)dB；噪聲系數(shù)小于2 dB；輸入輸出駐波小于2。

圖3 電路圖與仿真實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.3 Circuit diagram and the simulation measurement results

電路實(shí)現(xiàn)：低噪聲放大器選用的是WANTCOM公司的WHM14-3020AE，其噪聲系數(shù)為0.5 dB，增益為31 dB，駐波為1.22；等功率合成器采用微帶結(jié)構(gòu)。微帶片選用的是介電常數(shù)為9.2、厚度為1 mm的軟基片TMM10。電路布局應(yīng)考慮：功率合成器前的兩路放大器電路成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在放大器與功率合成器間加π型衰減網(wǎng)絡(luò)以減弱兩者間的相互影響，改善放大器的輸出駐波并且調(diào)整兩路放大器輸出增益的不一致。在功率合成器之后加π型衰減網(wǎng)絡(luò)改善輸出駐波。圖3為第一支路接源，第二支路接負(fù)載到地情況下的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果，實(shí)線為仿真值，虛線為實(shí)測(cè)值。噪聲系數(shù)采用安捷倫公司的噪聲測(cè)試儀N9875A及噪聲源N4000A測(cè)試得到，而輸入輸出駐波及增益利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4623B測(cè)試得到。由圖可見，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真值相吻合。

5 結(jié) 論

結(jié)合理論分析計(jì)算與ADS分析仿真[3]，確定了兩路放大器的增益誤差控制在±5%左右，對(duì)測(cè)試或接兩路天線接收信號(hào)幅度差20 dB以上時(shí)的噪聲系數(shù)誤差可控制在±0.1 dB以內(nèi)，并得以驗(yàn)證，可為系統(tǒng)確定合成式低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)的具體要求提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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