摘 要

众所周知，当今是一个讲究科学，追求创新，注重信息，增进交流的时代。特别是在通信领域，真的可以说是发生了令所有人都惊叹不已的技术变革。在通信领域中，传送信息的射频收发设备举足轻重。由于目前社会交流越来越频繁，越来越密切，对信息与数据的应用也越来越广泛，因此人们对射频集成电路的要求也越来越高，希望它能实现更全面的功能。所以改善接收设备中的放大器是一个当务之急。

本文主要研究2.4GHz射频低噪声放大器的设计方法，使其能够具备低噪声、高功率增益、绝对稳定等特性。首先要按照设计要求，结合芯片手册选择适合的晶体管类型。其次要了解射频电路的基础理论，比如Smith圆图的基本知识与实现阻抗匹配的计算方法、噪声理论等。然后研究放大器的电路结构与各个性能指标的概念。最后在兼顾低噪声放大器的各种性能要求和元器件限制的前提下，对现有低噪声放大器的拓补结构进行比较分析，设计出合适的电路。

本次设计采用ATF54143场效应管作为电路的放大模块，并使用ADS2015.01软件绘制出原理图并完成仿真。2.4GHz低噪声放大器的仿真结果为：在2.4GHz时，端口2的噪声系数是0.325dB，反射系数是-8.68dB，是-23.29dB，是16.29dB，功率增益是17.554dB，并且绝对稳定。由此可知，本次设计还是较为合理的。

关键词：低噪声放大器；功率增益；噪声系数；ADS

Abstract

As is known to all, today is an era which pays attention to science, pursuits innovation, focuses on information and enhances communication. Especially in the communication field, it can be said that all people are amazed at the technological changes. In the communication field, RF transceiver equipment for information transmission is pivotal. Because the current social communication becomes more frequent and closer, with more and more extensive applications of the information and data, the requirements about the radio frequency integrated circuit are increasingly high. People hope it can achieve more comprehensive functions. Therefore, to improve the amplifier of the receiving equipment is a top priority.

This paper mainly studies the 2.4GHz RF low noise amplifier which has low noise, high power gain, absolute stability and other characteristics. According to the requirements of the design and the chip manual, select a suitable transistor. Second, understand the basic theories of RF circuit, such as the basic theory of Smith chart, calculation methods to achieve the impedance matching, and the noise theory. Third, understand the concept of amplifier circuit structure and each performance index. Finally, in the condition of considering the different performance requirements and components’ limitations, compare and analyze the topological structures of current low noise amplifier, then design a suitable circuit.

This design uses ATF54143 field effect tube as the amplifier module of the circuit, and uses ADS2015.01 software to draw the schematic and simulate. The simulation results of low noise amplifier are as follows: at 2.4GHz, the noise coefficient of port 2 is 0.325dB, the reflection coefficient is -8.68dB, is -23.29dB, is 16.29dB, power gain is 17.554dB, and the LNA is absolutely stable. Thus it can be seen that the design is reasonable.

Key Words: LNA;Power Gain; Noise Figure; ADS

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 课题研究的意义 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4 课题研究的内容和要求 2

1.5 预期目标 2

第2章 射频电路的基础理论 3

2.1 Smith圆图 3

2.2 网络基础 6

2.2.1 二端口网络介绍 6

2.2.2 S参量 6

2.3 噪声理论 7

2.3.1 噪声的表示方法 7

2.3.2 噪声的类型 8

2.3.3 二端口网络噪声理论 9

2.3.4 多级网络级联的噪声系数 11

2.3.5 降低噪声系数的方法 13

第3章 低噪声放大器的基础理论 14

3.1 低噪声放大器的性能指标 14

3.1.1 噪声系数 14

3.1.2 功率增益 15

3.1.3 稳定性 15

3.1.4 反射系数 15

3.1.5 输入阻抗 15

3.2 低噪声放大器的电路结构 16

3.2.1 输入端并联电阻的共源放大器 17

3.2.2 共栅放大器 18

3.2.3 并联-串联反馈放大器 18

3.2.4 源极串联电感的共源放大器 19

第4章 低噪声放大器电路的设计与仿真 21

4.1 ADS的介绍 21

4.2 元器件的介绍 21

4.3 设计与仿真流程 23

4.3.1 设计流程 23

4.3.2 仿真流程 24

4.4 仿真结果 25

4.4.1 直流仿真 26

4.4.2 S参数仿真 27

第5章 结论 32

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景

近几年来，现代通信系统复杂多样，科学技术发展与日俱进，这使得人们的生活方式和工作方式发生了巨大的变化，比如无线局域网、4G、云计算或云存储、宽带电视等应用都已经深入到千家万户。然而，因为科技的不断创新，人们对改善生活品质的欲望愈发强烈，所以要求集成电路能实现更多的功能。而其中，对于射频(Radio Frequency)电路的开发和改进显得尤为重要。

射频电路能够向外界辐射电磁波信号，其典型工作频段是几百MHz到4GHz。由于射频电路工作的频率较高，所以它的带宽也比较宽，这样能够传输更多的信息，传输效率也会高一些。此外，射频电路在传输信息的时候，由于频率比较高，电流会只存在于导体表层的最外面，所以它具有趋肤效应。射频电路在无线通信系统中起着关键的作用，比如在接收信号时，通信系统需要一个射频前端电路来解调接收的信号。