关于平衡放大器的噪声系数的问题

前阵子，和号友讨论问题，她说她们的接收机的带宽很宽，然后非线性又要求高，驻波还也需要小。

脑子里突然闪过刚参加工作时，看低噪书籍的时候，上面有一章节讲平衡放大器的。

然后又过了一两天，又有号友在后台问关于平衡放大器的噪声系数的问题。

突然，一下子来了点兴趣。

毕业工作到现在，都没什么机会用到平衡放大器。现在发现，原来在指标严苛的地方，大家还是在用这种拓扑架构。

平衡放大器是用两路放大器+两个90度3dB电桥组成，如下图所示。功率由A1端输入，等分为两部分P1和P2两部分。P1被移相-180度，P2被移相-90度，然后分别由两个放大器放大。

如果两个放大器的增益相等，且传输相移皆为0度，则两路放大后的信号功率分别为GP1和GP2，GP1的相位是-180度，GP2的相位是-90度。

这两路信号，在RF OUT处同相位，所以功率叠加；在B4端口中，相位相差180度，因而理想情况下没有输出。

所以：

Pout=GP1+GP2=G(P1+P2)=GPin

因此，平衡放大器的增益等于单个放大器的增益。

那你也许会说，既然增益都一样，那为啥还要额外增加三个器件呢，是吃饱了没事干吗？

当然不是啦。

平衡放大器除了多用器件，成本高之外，它在性能方面基本上都是优点。

优点1：输入驻波比好。

假设RF In的信号，分成两部分信号。

一部分是由A1端口到A2端口，A2端口的功率再返回到A1端口，总相移是-360度；另一部分是由A1端口到A3端口，A3端口的功率再返回到A1端口，总相移是-180度。所以两部分信号反射回来后，相位相反，功率抵消，因此A1端口没有反射信号。

所以输入驻波，理论上变得很好。

而从A2和A3反射回来的信号在A4端口叠加，此时需要在A4端口接一匹配负载，来吸收反射功率。

优点2：输出驻波好。

假设RF OUT端有反射信号进来，分成两部分。

一部分是由B1端口到B2端口，B2端口的功率再返回到B1端口，总相移是-360度；另一部分是由B1端口到B3端口，B3端口的功率再返回到B1端口，总相移是-180度。所以两部分信号反射回来后，相位相反，功率抵消，因此B1端口看不到反射信号。

所以输出驻波比，理论上变得很好。

而从B2和B3反射回来的信号在B4端口叠加，此时需要在B4端口接一匹配负载，来吸收反射功率。

优点三：OIP3和P1dB点都double

优点四：稳定性变好。

当电路理想的时候，输入端口和输出端口是无反射的，所以即使单个放大器本身具有潜在不稳定性，但是从平衡放大器的输入端口和输出端口看，是绝对稳定的。

优点五：噪声系数好。

平衡放大器的最低噪声系数和单个放大器是相同的，但是在设计匹配电路的时候，可以完全按照最佳噪声匹配来设计，以获得理想的最小噪声匹配，不需要兼顾驻波比。

当然，如果考虑3dB电桥的非理想性的话，噪声系数还是会比单个放大器要大一点。

至于，为啥平衡放大器的噪声系数没有比单个放大器大3dB，文献[3]上有推导，但是我还没看懂。

优点六：可靠性要高点

因为有两个管子，坏了一个放大器的话，还能凑合着用，虽然输出功率低了点。比单个放大器的可靠性要高点。

参考文献：

[1] https://blog.minicircuits.com/a-practical-introduction-to-rf-microwave-balanced-amplifiers-and-their-applications/

[2] 微波集成电路， 国防工业出版社

[3] Noise Figure of a balanced amplifier , Akif Alperen Coskun

编辑：黄飞