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射頻前端低噪聲放大器(LNA)電路是無線電設備前端電路設計中的重要內容。由于實際的無線電傳播環境通常較為惡劣，因此，其射頻前端電路中必須考慮采用LNA。LNA作為射頻模塊中的關鍵電路，其噪聲大小直接影響著接收機的性能。另一方面，LNA的設計也是無線電設備相關電路設計中最具有挑戰性的內容之一。這主要表現在它同時需要滿足高增益、低噪聲、良好的輸入輸出匹配和在盡可能小的工作電流時的無條件穩定性。 作為移動通信標準之一的CDMA2000，是第三代移動通信系統的一個重要技術標準，在世界范圍內得到廣泛的重視。事實上，LNA電路的設計是這一標準下基站電路設計的主要內容之一。同時，由于移動通信設備應用場合以及CDMA2000多址方式的特殊性，抑制干擾/噪聲、提升增益并保持其穩定性，是相關電路設計的基本出發點。因此，可以結合CDMA2000基站LNA電路的設計問題，探討一般情形下射頻LNA電路設計的若干關鍵問題及其解決途徑。這同時也為一般性問題的討論提供了實際應用的背景。 射頻LNA電路設計中的若干問題 低噪聲放大電路的設計，首先應同時應著眼于低噪聲和高增益兩方面的要求。在高增益的情形下，從其性能的可靠性出發，必須兼顧電路的穩定性。為了實現在實際電路設計中對這些因素的綜合考慮和折中處理，首先對有關問題逐一加以討論。 噪聲問題及其處理辦法 導致放大電路噪聲特性變差的主要噪聲來源包括閃爍噪聲、熱噪聲和散彈噪聲。其中，閃爍噪聲又稱為1/f噪聲，其取值與半導體材料有關，功率譜密度與頻率成反比。因此，在射頻情況下可以不予過多考慮。熱噪聲是電子熱運動所引入的噪聲，主要受控于環境溫度，與電流無關。在射頻情形下，這一噪聲受外場頻率升高的作用，其量值將隨頻率的升高而明顯增大。散彈噪聲不直接受溫度的影響。散彈噪聲的大小正比于工作電流。綜上所述，射頻低噪聲放大電路中作為對噪聲的抑制，主要應考慮對熱噪聲和散彈噪聲的抑制。 一般地，噪聲問題可以通過選擇低噪聲器件、降低電路插損、改善線性度，以及降低電路功耗等方式加以有效解決。注意，包括低噪聲器件的選擇在內，上述方法大都與電路的具體設計有關。因此，在實際設計中應根據相關指標要求，靈活應用上述處理方法。 增益問題及其處理辦法 為了實現電路的高增益(一般都在幾十dB) ，通常需要采用多級放大電路，如圖1中所示的兩級放大電路。這一處理方法在實踐中得到了廣泛應用。 為了兼顧對噪聲問題的考慮，應對多級放大電路的噪聲和增益加以統一考慮。對m級放大器，其總噪聲系數由各單級電路的噪聲系數NF和增益Av決定，即 由于各單級放大電路的放大倍數一般都遠大于1，顯然，多級放大電路總的噪聲系數主要由前級電路決定，最前級電路的噪聲大小成為影響整個電路的主要因素。為此，應當通過選擇低噪聲器件等方式，使前級電路的噪聲得到抑制。同時，折中考慮放大級數、單級放大倍數等的選擇。 為了獲得LNA電路最大增益輸出，輸入輸出必須阻抗匹配。對實際的LNA放大電路，其輸入輸出阻抗一般都設計為508。從噪聲的角度看，可以通過天饋端與LNA電路輸入端之間的共軛匹配來實現能量的最佳傳輸。 穩定問題及其處理辦法 電路的穩定性也是LNA電路必須考慮的，特別是在放大器的設計中，必須保證放大器的穩定性，以避免可能出現的自激，穩定性判據如下： 定義 如果K>1且|△|1，則電路存在潛在的不穩定性。對于某些信號源或負載阻抗會出現自激現象，這種情況并不意味著電路不能工作，但需慎重選擇信號源和負載阻抗。所以，在進行電路設計時，必須測量相關元件的S參數。改善電路的穩定性通常可采用四種阻抗連接，其連接方式如圖2所示。圖2(b) 電路是在電路的輸入端接上一個轉移電阻來改善穩定性。ADS仿真改善前和改善后的kF特性如圖3所示(其中，k代表穩定系數)。 從圖3可以看出，當不接入電阻時，晶體管在0.55GHz到1.4GHz都是不穩定的(K1)。可見，電阻的接入改善和提高了電路的穩定性。 當所選晶體管電路是穩定電路之后，通常就可以利用S參數設計電路的最小噪聲和增益。 對上述問題的折中處理 上述問題在實際設計中是彼此關聯的，因此，在實際電路設計中應當綜合考慮，靈活應用各種方式，實現整體性能的最佳，注意做好諸如噪聲、增益、線性、功耗等的折中，從而較好地滿足設計指標的要求。為此，我們結合CDMA2000基站中射頻前端低噪聲放大器的設計問題，探討上述方法的綜合應用。 CDMA2000基站射頻LNA電路的設計 按照以上原則，設計了用于CDMA2000基站射頻前端的LNA電路，該電路主要性能指標如表1所示。所設計電路的結構框圖如圖4所示。 低噪聲放大器由兩級放大器組成。由于Agilent公司的ATF-34143有著優異的低噪聲性能，故選用它組成第一級放大器，為了保證輸入級的駐波要求和提高動態范圍，采用平衡電路。綜合考慮功耗、增益、噪聲系數、穩定性等各方面指標，采用正負電源為ATF-34143供電。第二級選用SirenzA公司的SGA-6489微波單片放大器，它具有寬頻帶、高增益的特性。 圖5是第一級放大器的ADS仿真結果。從圖5可以看到，在830MHz時，第一級放大器的噪聲系數為0.305dB，增益為18.8 dB，穩定系數K為1.21，符合預定要求。用ADS仿真軟件進行仿真，得到第二級放大器的增益和穩定度特性，如圖6 所示。在831MHz時，其增益為19dB，穩定系數為1.13。 為了提高第一、二級放大器之間的駐波性能和第二級放大器的穩定性，在第一、第二級放大器之間增加了1dB的固定型衰減器。 在平衡放大器后，使用了M/A-COM公司的數字衰減器AT-226。該器件單電源供電，步進衰減量1dB，最大可衰減量15dB，可工作于0.5～2GHz之間，具有優良的寬頻性能。在數字衰減器后，還采用一個溫度補償衰減器，用來補償由于穩定變化引起的放大器增益波動。圖7是用Cascade得到的通道特性。 結 論 對于RFLNA電路，由于其位置上的特殊性(靠近天線) ，因此，在設計時必須保證通頻帶內電路的高穩定性、低噪聲和高增益，這三個指標是設計考慮的重點。本文對LNA電路中所涉及的主要問題進行了探討，并提出了解決方法，結合實際LNA電路的設計，較好地驗證了方法的可行性。從上面的仿真結果表明，我們的設計較好地滿足了相關指標的要求。因此，本文提出的CDMA射頻LNA電路設計方法是切實可行的，對相關LNA電路的設計具有很好的指導意義。 |
