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低噪聲放大器(LNA)是無線通信設備中的關鍵電路，位于接收設備的最前端，對從天線接收的微弱射頻信號進行放大，其噪聲性能和增益對整機性能有重要影響，因此，要求該電路在小于要求噪聲指標的情況下，具有盡可能高的增益。一般情況下，最小噪聲系數和最大增益是不能同時達到的，它們的指標主要由輸入匹配電路決定。為了達到設計要求，一般都采取兼顧的原則。 在國內GSM系統中，工作頻率覆蓋了l710MHz～1990MHz的范圍，如果使用窄帶LNA電路，只能用于一種體制，應用受到一定限制。本文設計的寬帶LNA電路，其工作頻率覆蓋了上述頻率范圍，使接收機前端的LNA電路具有很大靈活性。 1 低噪聲放大電路的設計仿真及優化 1．1 性能指標和器件選擇 設計要求工作頻率為1700MHz～2000MHz，噪聲系數小于1．8dB，增益大于13dB，輸入電壓駐波比小于2．0，輸出電壓駐波比小于3．5。 設計選用Agilent公司的AT41486管。該器件為通用NPN雙極型硅管，具有低噪聲、高增益、頻率特性好等優良特性。模型選用ADS自帶的pb參數模型。 1．2 電路穩定性 電路穩定性既是放大電路的一個重要指標，又是電路正常工作的先決條件。電路穩定工作是最基本的要求，而任何射頻電路在某些頻段和某些終端條件下都有產生振蕩的可能性。造成電路不穩定的因素很多，主要有管子的S參數、輸入輸出匹配電路以及選取的工作點等。穩定性度量通常用穩定因子K、B、△表示，他們是器件小信號S參數的函數。在使用ADS工具時，計算K和B兩個參數非常方便，因此，這里用它們來衡量電路的穩定性。計算公式如下： 只要K>l，|B|>0，電路就能穩定工作 通過ADS對晶體管AT41486的穩定因子進行仿真，結果如表1所示。 由表1可見，在1600MHz到2100MHz范圍內，都滿足K>1和B>0的要求，說明晶體管在所工作的頻段是絕對穩定的，不需要采取穩定措施。 1．3 噪聲系數 射頻系統的噪聲系數與每一級電路的噪聲系數F和除末級外的功率增益G有關。如果射頻系統包括N級電路，其中第i級的功率增益為Gi，噪聲系數為Fi，則射頻系統的噪聲系數F可表示為： 由式(5)可見，第一級的噪聲系數F1和增益G1對電路的整體噪聲指標影響最大，而LNA恰為系統第一級，因此，它的設計非常重要，要求具有足夠小的噪聲系數，盡量高的增益。對于單級LNA電路來說，其噪聲系數可通過下面的式(6)計算， 其中，分別表示晶體管的最小噪聲系數、獲得最小噪聲系數時的最佳源反射系數和晶體管的等效噪聲電阻，它們均由管子本身的特性決定，其數值如表2所示。為輸入端源反射系數。由式(6)可以看出，當時，放大電路的噪聲系數F最小，等于Fmin。 由于要兼顧放大電路的增益Ggain，因此，在滿足噪聲系數F要求的情況下，實際匹配可以適當偏離，以取得更大的增益，滿足整體性能指標。由表2可以看出，只要設計合理，在1700MHz～2000MHz范圍內完全可以實現小于1．8dB的噪聲系數。設計時，輸入匹配初始選，然后再根據其他指標進行優化。 1．4 LNA結構分析與設計 電路結構如圖1所示，設計重點是輸入輸出匹配電路。考慮到工作頻率范圍寬，因此，輸入匹配采用微帶雙枝短截線，輸出為微帶單枝短截線。直流偏置根據管子的資料，采用10V電源，工作點設置為Vce=8．0V，Ic=10mA。 1．4．1 輸入匹配電路 通過仿真得到最佳源反射系數時的最佳輸入阻抗為11-j*14．2。為了得到最小噪聲系數，令，按照該阻抗設計輸入匹配電路，噪聲系數最小，但此時輸入端是失配的，因此，增益不是最大，電壓駐波比也不是最小。 設計選用聚四氟乙烯材料，εr=2．65，H=0．8mm，T=35μm。為了實現寬帶放大，輸入端采用微帶雙枝短截線。利用計算工具可得到符合要求的輸入匹配電路如圖2所示。 1．4．2 輸出匹配電路 使用同樣的方法可以得到輸出阻抗為78．05-j*42．65。輸出使用微帶單枝短截線，以實現共軛匹配。仿真得到的單枝短截線為W1=W2=-W3=2．188mm，L4=29．33mm，L5=15．62mm。 1．5 仿真結果及分析 圖3為完整電路原理圖。通過ADS對其反復優化，其結果如圖4、5和表3、4所示。 (1)從圖4可以看出，電路在1700MHz～2000MHz頻率范圍內增益大于13dB，其中最大增益點在1800MHz位置，為13．5dB，增益波動為0．5-dB，符合性能指標要求。 (2)根據圖5的噪聲系數曲線，在工作頻段內，最大噪聲系數在2000MHz處，為1．799dB，小于1．8dB的目標。 (3)由表3可見，輸入電壓反射系數VSWRl小于2．0，輸出電壓反射系數VSWR2在1750MHz以下超過2．5，不大于3．0，符合設計要求。 (4)表4顯示，在要求頻段內滿足K>1和B>0的要求，說明電路是絕對穩定的。 綜上所述，此電路達到了設計要求。 2 結束語 從以上結果可以看出，利用ADS軟件，采用pb模型設計的低噪聲寬帶放大電路，達到了設計要求，可用于GSM基站前端，比以往的LNA具有更寬的工作帶寬，增益和噪聲系數不低于其他產品，具有重要的實際意義和應用前景。由于射頻電路設計的復雜性和要求的精確性，電路性能指標的實現受多種因素制約，需要反復調整和優化。 |
