X波段场效应管低噪声放大器的设计(3)
通过查阅相关资料，X波段一般为8-12 GHz的微波波段，频段相对较高，所以我选择了NEC公司的NE3210S01晶体管，其在X波段具有较高的增益和较小的噪声增益，可以满足设计要求。ADS2009软件具有设计仿真的功能，可以帮助完成X波段低噪声放大器的设计和仿真。
2 设计低噪声放大器的理论基础
2.1 噪声系数和噪声温度
在微波电路中，我们将放大器的噪声系数定义为其输入信噪比与输出信噪比之比，噪声系数的计算如下式(2.1)：
(2.1)
在上式式(2.1)中， 为输入信号功率， 为输入噪声功率， 为输出信号功率， 为输出噪声功率。我们通常用分贝(dB)来表示噪声系数，如公式(2.2):
(2.2)
在设计晶体管放大器时，为了提高放大器性能，我们要努力使输入的有用信号经过放大器后，不仅仅可以得到信号的有效放大，还要努力降低噪声干扰信号的影响，即要设计输出信噪比高的晶体管放大器。而噪声系数作为衡量晶体管放大器好坏的一个重要指标，所以我们在设计晶体管放大器时，要保持噪声系数尽可能小。因为只有线性系统可以使用噪声系数来衡量其性能，所以必须得保持输入输出噪声功率的单位统一。
我们常常用下式(2.3)来计算单级放大器的噪声系数：
(2.3)
在公式(2.3)中， 取决于晶体管自身性质，代表晶体管的最小噪声系数； 表示当晶体管噪声系数最小时单级放大器系统的最佳源反射系数； 代表等效噪声电阻，单位为欧姆； 指的是放大器输入端的源反射系数。
下式(2.4)是多级放大器噪声系数的计算公式：
(2.4)
在公式(2.4)中， 、 分别表示放大器第n级的噪声系数和增益系数。根据上式(2.4)，我们可以发现，多级放大器第二级的噪声系数受其第一级增益影响，后面各级噪声系数受到的影响更加大。当多级放大器的第一级增益比较大时，整个系统的噪声系数主要由第一级的噪声系数决定，所以想要设计出性能优良的多级放大器，需要设计出噪声系数低而增益高的放大器第一级。
因为在某些要求噪声系数比较小的放大器系统中，用噪声系数表示太过复杂麻烦，所以我们又引入了噪声温度，如下式(2.5)：
(2.5)
式(2.5)中，k为玻尔兹曼常量，数值为 ； 表示放大器的等效噪声温度，单位为K；B为带宽，单位为Hz。
噪声系数用噪声温度表示时，计算公式如下：
(2.6)
式(2.6)中， 依然表示放大器的等效噪声温度，单位为K； ； 为放大器的噪声系数。
2.2 二端口网络理论
在对低频系统的测量中，我们常采用诸如终端短路和终端开路等的测量方法，但是在射频系统中，这些方法可能就无法完成测量。当我们使终端短路后，高频会影响电路中的电感，使其显著增大，影响测量。并且，终端开路在高频下也会在终端形成负载电容，影响测量。所以在低频系统中的测量方法在高频系统中不完全适用，我们需要引入新的测量方法。
在设计低噪声放大器时，为了更加简便灵活的测量其各项参数，我们可以将低噪声放大器看做一个二端口网络，然后使用散射矩阵S参数进行测量。所以在这里，我们引入S参数。
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