【無線射頻電路】-增益可調的高性能低噪聲放大器的設計與實現(xiàn)

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----增益可調的高性能低噪聲放大器的設計與實現(xiàn)低噪聲放大器（Low-noiseAmplifier，簡稱LNA）是處于接收機最前端的關鍵部件，廣泛應用于移動通信、雷達、電子對抗及遙控遙測系統(tǒng)。它的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，提高接收信號靈敏度，以供系統(tǒng)解調出所需的信息數(shù)據(jù)，其噪聲、線性和匹配等性能好壞直接影響到整個接收系統(tǒng)的性能，本文著重對實現(xiàn)增益可調和提高電路的線性度和穩(wěn)定性、降低噪聲系數(shù)及改善電路的輸入/輸出匹配特性的方法進行了分析討論。

目前，低噪聲放大器的設計普遍采納CAD的方法進行仿真，相對而言，先進設計系統(tǒng)（ADS）功能強大，簡明直觀，應用范圍較廣，本文使用ADS軟件，通過線性或非線性的操作模式對放大器電路進行模擬仿真。

接收機前端結構

在設計接收機時，應充分考慮它的容錯性，一旦某器件消失故障，系統(tǒng)仍能正常工作，一般用冗余設計的方法來保證其高牢靠性。

如圖1所示，當LNA消失故障時，旁路開關的切換可以使輸入信號不經(jīng)過LNA而直接輸出，保證系統(tǒng)仍舊能正常運行。本設計采納PIN開關二極管HSMP-4890實現(xiàn)旁路掌握，在LNA斷電的狀況下，信號旁路，且通過掌握模塊告警。再則，LNA采納平衡結構，這樣，能保證輸入和輸出50阻抗匹配，并且比單級放大結構的截取點高3dB，這種冗余結構也增加了系統(tǒng)工作的牢靠性，一旦一路壞掉以后，LNA仍能工作，只不過增益也許減小6dB。掌握模塊掌握旁路開關通斷，給LNA供應電源，并且通過掌握輸出端衰減達到調整增益的目的。

LNA設計的技術指標：工作頻率825MHz835MHz；噪聲系數(shù)1.8dB；增益2dB12dB，步進1dB；旁通時插入損耗2.5dB；輸出三階交調截取點OIP320dBm；輸出1dB壓縮點P10dBm；回波損耗18dB；最大工作電流120mA。

關鍵器件選擇

ATF-54143是一款高增益、寬動態(tài)范圍、低噪聲的E-PHEMT（增加模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管），只需要一個正的電壓偏置，器件體積小，電路集成度高，特殊適用于450MHz6GHz頻段的通信系統(tǒng)。而且依據(jù)器件性能，在漏電流IDS為60mA時能得到最高的三階截取點（IP3）和最低噪聲系數(shù)（NF），在漏電壓VDS為3V時，有較高的增益。同時選擇Xinger1D1304-3，它是一款3dB，90度混合耦合器，具有在800MHz1200MHz頻帶內插入損耗小，高隔離度等優(yōu)點，特殊適用于平衡結構的LNA設計。

考慮增益可調這部分，采納5bit數(shù)控衰減器HMC273（0.7GHz3.7GHz，1dB31dB衰減范圍），只要掌握低4bit的輸入凹凸電平就能達到0dB15dB衰減范圍，滿意了增益步進要求。

LNA電路的設計

通常，在設計LNA時主要考慮低噪聲系數(shù)（NF），足夠的增益和肯定穩(wěn)定性，但在實際應用中，高截取點、供電電壓和低電流損耗也需要考慮。

直流偏置電路的設計

首先，以ATF-54143的柵極電壓VDS作為掃描參數(shù)對元件的靜態(tài)工作點（漏極電流IDS和漏極電壓VDS）進行仿真。圖2和圖3分別為仿真圖和電路原理圖。再依據(jù)選定的VDS（3V），IDS（60mA），VGS（0.56V）,用公式（1）（2）（3）計算各偏置電阻值。

式中，IBB=2mA是設定流經(jīng)R1和R2電阻分壓網(wǎng)絡的電流，Vdd=5V是供電電壓，經(jīng)計算得出各偏置電阻值：R1=280，R2=1220，網(wǎng)R3=33。

穩(wěn)定電路的設計

電路不穩(wěn)定主要由3個緣由產(chǎn)生：晶體管內部的反饋回路，由外部電路產(chǎn)生的在晶體管外部的反饋支路，以及通帶外的多余的增益?？隙ǚ€(wěn)定意味著對于任何源端和負載端的阻抗，電路都不會消失不穩(wěn)定的狀況，通?？梢杂蒖ollett穩(wěn)定因子來表示。肯定穩(wěn)定的條件是：

改進方法之一是可以在晶體管的源端對地加上一小段微帶線，相當于電感性元件的負反饋，可以改善輸入回波損耗和低頻穩(wěn)定度，提高線性度；同時在放大電路的輸出端可以加上型阻性衰減器，對改善穩(wěn)定性也很有效。

仿真證明，在源端作上述設計后K值將在帶內大于1。但要留意，在放大管源極添加傳輸線來穩(wěn)定的方法是以犧牲放大器其他性能為代價的，同時過長的傳輸線增加了電路自激的可能性。為了尋求平衡，在實際設計PCB時，將源端微帶線預留足夠的長度，調試時可依據(jù)實際狀況調整其接地的長度，再將多余的帶線切斷除去。

匹配網(wǎng)絡的設計

輸入匹配網(wǎng)絡一般為獲得最小噪聲而設計，為接近最佳噪聲匹配網(wǎng)絡而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡，而輸出匹配網(wǎng)絡一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設計。由于本設計對LNA增益的要求不是太高，所以設計匹配網(wǎng)絡時首先考慮噪聲系數(shù)。輸入匹配網(wǎng)絡由元件的最佳噪聲反射系數(shù)Topt為主來打算，以求得噪聲系數(shù)NF降到最小，依據(jù)S參量仿真得到的最佳噪聲系數(shù)匹配條件，利用ADS供應的Smith圓圖工具可以很便利地進行輸入輸出匹配網(wǎng)絡的設計。

可得出輸入高通網(wǎng)絡L1為12nH，C1為5.6pF，輸出高通匹配網(wǎng)絡L4為15nH,C4為3pF。

ADS仿真

線性仿真

線性分析時可以用Touchstone格式的兩端口S參量對晶體管進行建模，用基于4端口的Touchstone線性S參數(shù)文件對混合耦合器建模，在此引用ATF-54143的S2p文件和1D1304-3的S4p文件。為了得到更切合實際的結果，傳輸線部分也采納ADS庫中的微帶線模型。在對平衡結構LNA的Sparams_wNoise仿真時，主要是調整微帶線的長度，以得到最佳匹配結果，本次板材采納介電常數(shù)為2.55的聚四氟乙烯，介質厚0.8mm，微帶線高18m，微帶線寬度用ADS的LineCalc工具計算，經(jīng)過反復試驗得出結果如圖4所示。

非線性仿真

諧波平衡（HB）仿真可用于得出1dB壓縮點P和輸出三階截取點（OIP3）等非線性參數(shù)，兩者仿真設置的主要區(qū)分在于信號源的不同，前者信號源是P_1Tone，后者是P_nTone供應調諧頻率信號，相應HB仿真的設置也有不同。

仿真得到的P-1dB為16.5dBm，OIP3為32.2dBm，結果比較抱負，見圖5所示。

PCB制板

用DC-DC轉換芯片將外部輸入電壓轉換為5V，給晶體管供應偏置電壓。數(shù)控衰減器HMC273放置在放大耦合輸出的近端，也需要5V電源供電，5管腳16dB衰減掌握口直接置高電平，14管腳連接外部輸入口；遠端放置型阻性電路，可用于調整增益和增加電路穩(wěn)定性。旁路與放大電路在輸出端用PIN開關二極管HSMP-4890連接，起隔離的作用，保證旁路插入損耗小。旁路和耦合器輸入端帶線均為1/4波長，以保證相位匹配，使回波損耗最小。

繪制PCB電路板時還須留意以下幾個方面：

（1）依據(jù)信號頻率，板材參數(shù)計算微帶線寬度，為了彌補實際和仿真的差別，一般不將阻抗值嚴格地設為50計算，而是偏高12，調試中通過轉變接地電容的量值和位置就可以得到較寬的電路參數(shù)調整范圍。

（2）預留出可調的電容位置，關鍵是放大器輸入輸出端。

（3）為了避開干擾，射頻微帶線之間以及一般信號線（掌握HMC273）均避開鄰接，中間必需用地隔開。

（4）在射頻信號經(jīng)過的帶線范圍內，底層電源線也盡量避開經(jīng)過，可選擇