智能天線系統(tǒng)

智能天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其自適應(yīng)算法的研究隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的用戶數(shù)量迅速增加，智能天線技術(shù)可以通過空分復(fù)用的方式擴(kuò)大系統(tǒng)容量，滿足系統(tǒng)用戶數(shù)量的增加，使系統(tǒng)的性能得到提高。智能天線系統(tǒng)是一個(gè)集成了許多部件和子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，其主要作用是減少干擾的影響和多徑延時(shí)。在智能天線系統(tǒng)中，盡管天線陣列的特性于分重要，會(huì)影響移動(dòng)接收機(jī)對(duì)無線信號(hào)的接收，從而影響輸出信號(hào)質(zhì)量，最終對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能造成影響。但是一個(gè)完整的智能天線系統(tǒng)除了天線陣列外，通常還要包括微波/RF子系統(tǒng)、數(shù)字接收子系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理子系統(tǒng)等。此外，根據(jù)智能天線技術(shù)的起源和發(fā)展過程，對(duì)智能天線的設(shè)計(jì)分為傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代方法。本文首先概述了智能天線系統(tǒng)的基本原理、結(jié)構(gòu)組成以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)較常用的方法和設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題等。然后，從射頻通道電路設(shè)計(jì)和自適應(yīng)算法這兩個(gè)智能天線系統(tǒng)的重要部分入手對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。在射頻通道電路設(shè)計(jì)中，在簡單介紹射頻通道各部分基本設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，在1000MHz頻段上對(duì)智能天線系統(tǒng)的射頻接收通道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括前端的低噪聲放大器、混頻器、振蕩器和鎖相環(huán)等。另一方面，本文還對(duì)智能天線系統(tǒng)的自適應(yīng)算法進(jìn)行了研究。在分析研究智能天線傳統(tǒng)自適應(yīng)算法和全相位算法的基礎(chǔ)上，針對(duì)智能天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將全相位算法與傳統(tǒng)的自適應(yīng)算法相結(jié)合提出了全相位自適應(yīng)濾波算法和全相位智能天線算法。這兩種算法都充分利用了個(gè)相位算法的優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上降低了系統(tǒng)運(yùn)算的復(fù)雜性，在其他條件都相同的情況下提高了系統(tǒng)處理信號(hào)的速度。通過仿真對(duì)比，可以看到新算法在一定程度提高了系統(tǒng)的信號(hào)選擇能力和方向選擇性。一、基本智能天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述根據(jù)系統(tǒng)所要達(dá)到的目標(biāo)，智能天線系統(tǒng)通常完成以下二個(gè)主要任務(wù):通過天線陣列獲取所需的信息或信號(hào)。將天線陣列獲取到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成對(duì)處理有利的數(shù)據(jù)格式。通常使用數(shù)字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，這樣原始的模擬信號(hào)就必須通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADc)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。改善天線單元接收信n'J質(zhì)量，并能對(duì)信n'J進(jìn)行合成優(yōu)化，從Ifu改善接收信號(hào)性能，減少干擾，這就是自適應(yīng)處理器的任務(wù)。通過傳統(tǒng)的以微波為基礎(chǔ)的方法和以數(shù)字信號(hào)處理(DSP)為基礎(chǔ)的技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)智能天線系統(tǒng)的算法。此外，智能天線系統(tǒng)還可以設(shè)計(jì)成窄帶和寬帶兩種工作方式。由于有關(guān)智能天線系統(tǒng)的討論大多數(shù)都假設(shè)信號(hào)為窄帶信號(hào)，這樣時(shí)間延時(shí)可以用載頻信號(hào)的相移來表示，只要簡單地改變天線陣列上每個(gè)單元的幅度和相位就可以將天線陣列的主波束對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)來波信號(hào)方向，將天線陣列波瓣的零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)的方｝句，從而可以大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文也主要針對(duì)窄帶系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的軍用雷達(dá)系統(tǒng)中，大型智能天線系統(tǒng)是以微波技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)來控制數(shù)字移相器和衰減器以實(shí)現(xiàn)希一望的自適應(yīng)零點(diǎn)和主波束方向。為了獲得不同的相移量和衰減量，移相器和衰減器中采用了一些開關(guān)二極管。當(dāng)開關(guān)二極管接通不同的天線單元時(shí)，通道中插入損耗就不同。除此之外，由于受到成本等因素的影響，在改變幅度和相位時(shí)存在著較大的離散階躍量，這樣就使自適應(yīng)的加權(quán)處理存在誤差，天線的性能無法達(dá)到最優(yōu)。傳統(tǒng)的陣列天線最大的弱點(diǎn)是:它以模擬信號(hào)為基礎(chǔ)，具有固定的結(jié)構(gòu)形式，因此要達(dá)到數(shù)字接收機(jī)所具有的處理速度、抗干擾性強(qiáng)等性能比較困難。以傳統(tǒng)的微波技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在以下主要缺點(diǎn):系統(tǒng)容易受到各種類型誤差的影響，如離散的移相器和衰減器產(chǎn)生的量化誤差等。由于經(jīng)費(fèi)成本等因素，在移相器和衰減器中通常采用較大的步進(jìn)增量，因此天線陣列的波束指向不可能于分精確，零點(diǎn)也達(dá)不到所希望的方向，結(jié)果使天線的增益損失，對(duì)干擾的抑制效率會(huì)相對(duì)減弱。對(duì)于不同的干擾情況，要將數(shù)量不等的二極管切換到不同的傳播路徑中，會(huì)產(chǎn)生不等的增益損失。在遇到不同的干擾情況時(shí)系統(tǒng)的性能會(huì)出現(xiàn)不一致的情況。在配置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)有一個(gè)固定的格式，系統(tǒng)的硬件環(huán)境一旦建立，就不容易重新配置系統(tǒng)以適應(yīng)干擾情況的變化。對(duì)于多通道接收機(jī)來說，要獲得多波束功能就必須花費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)。在圖1中，處理器根據(jù)傳送到陣列上的輸入信號(hào)和一個(gè)計(jì)算得到的自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)來獲得最大的信噪比(SNIR,signaltonoiseplusinterferenceration。這些新的自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)隨后會(huì)在相應(yīng)的陣列單元中被轉(zhuǎn)換成希望的相位和衰減量，從而獲得陣列的最終輸出。圖1傳統(tǒng)的模擬式智能天線框圖以現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理器為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)現(xiàn)代智能天線系統(tǒng)是以數(shù)字系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。來自天線單元的信號(hào)在進(jìn)入DSP模塊之前，都進(jìn)行了數(shù)字化處理。因此，現(xiàn)代智能天線系統(tǒng)具有基于DSP系統(tǒng)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。隨著時(shí)間的推移價(jià)格會(huì)顯著地下降;同時(shí)隨著更先進(jìn)的DSP問世會(huì)使系統(tǒng)功耗和性能得到明顯的改善。由于現(xiàn)代智能天線的所有功能幾乎是在DSP模塊中完成的，因此它很容易與其他采用時(shí)域均衡的傳統(tǒng)天線相結(jié)合，為接收機(jī)性能的整體優(yōu)化提供機(jī)會(huì)。與傳統(tǒng)智能天線系統(tǒng)相比較，現(xiàn)代智能天線系統(tǒng)采用全數(shù)字信號(hào)處理的方法來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)加權(quán)控制，主要優(yōu)點(diǎn)是可以消除自適應(yīng)加權(quán)誤差和傳統(tǒng)系統(tǒng)中由于使用微波數(shù)字移相器和衰減器引起的插入損耗;此外，DSP智能天線結(jié)構(gòu)具有更多的靈活性;同時(shí)DSP陣列還具有自校準(zhǔn)的功能，可以消除由于設(shè)計(jì)和制造導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)誤差。圖2是現(xiàn)代DSP智能天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，它給出了智能天線系統(tǒng)最為重要的兩個(gè)信號(hào)處理任務(wù)。第一個(gè)任務(wù)是采用適當(dāng)?shù)乃惴▉矸治龊吞幚磔斎氲男聰?shù)據(jù)，計(jì)算出為達(dá)到給定優(yōu)化目標(biāo)所需的加權(quán)系數(shù);另一個(gè)任務(wù)是將來自天線單元的信號(hào)數(shù)字化并與相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)相乘，然后將各個(gè)分量相加得到最終的陣列輸出。前一個(gè)任務(wù)被稱為權(quán)值更新功能(WUF,weight-updatingfunction)，它通常比較復(fù)雜耗時(shí)，其復(fù)雜程度取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所選擇的具體算法。后一個(gè)任務(wù)被稱為波束形成功能CBFF,beamformingfunction），由于它只涉及到標(biāo)準(zhǔn)的相乘不累加（MAC,multiplicationandaccumulation所以相對(duì)較簡單，可以用數(shù)字濾波器來實(shí)現(xiàn)。在智能天線系統(tǒng)中，完成了這些任務(wù)就可以將波束的零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾的方向，并將陣列的主波束對(duì)準(zhǔn)希一望接收的信號(hào)方向。對(duì)于大多數(shù)商用DSPIfu言，BFF模塊的MAC任務(wù)每刷新一次或設(shè)置DSP接收采樣只需要幾｝s的時(shí)間。Ifu在蜂窩移動(dòng)環(huán)境中，大多數(shù)情況下系統(tǒng)參數(shù)在一個(gè)短周期內(nèi)（幾ms）保持相對(duì)穩(wěn)定。這樣，就不必對(duì)每個(gè)信號(hào)采樣生成一套新的自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)，因此DSP模塊的波束形成部分通?？梢灾貜?fù)使用原有的自適應(yīng)加權(quán)值，直到從WUF模塊獲得新的優(yōu)化加權(quán)系數(shù)。在復(fù)雜的智能天線系統(tǒng)中，可以同時(shí)使用兩個(gè)DSP處理器來并行地完成兩個(gè)主要功能，這樣可以實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理功能。在DSP模塊中，通過軟件可以很方便地將時(shí)域延時(shí)均衡器和傳統(tǒng)陣列相結(jié)合，其中每一個(gè)天線單元都具有一個(gè)獨(dú)立的通道。圖3給出了智能天線系統(tǒng)信號(hào)傳輸通道的原理框圖。圖2DSP智能天線系統(tǒng)框圖圖3智能天線系統(tǒng)信號(hào)傳輸通道的原理框圖智能天線系統(tǒng)與大多數(shù)常見的通信系統(tǒng)設(shè)備一樣，都是由軟件和硬件兩個(gè)部分組成。軟件部分的作用是控制系統(tǒng)硬件的工作，處理硬件部分提供的信號(hào)，其主要包括以下幾個(gè)主要部分。首先，一個(gè)系統(tǒng)需要一個(gè)主控制軟件，這個(gè)軟件可以檢測當(dāng)前移動(dòng)系統(tǒng)的工作狀況，并能選擇最適合的自適應(yīng)波束形成算法。第二，系統(tǒng)需要監(jiān)測軟件，這個(gè)軟件可以監(jiān)測每個(gè)數(shù)據(jù)通道的信號(hào)性能，如果某個(gè)通道的性能達(dá)不到要求，監(jiān)測軟件就會(huì)采取措施減小其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響。最后，還要有一套特別的軟件，用于實(shí)現(xiàn)諸如輸入——輸出同步和提高數(shù)據(jù)傳輸效率的直接內(nèi)存訪問（DMA控制等功能。除此之外，各部分軟件還要能完成系統(tǒng)校準(zhǔn)自動(dòng)增益控制和極化切換等一些任務(wù)。智能天線系統(tǒng)的硬件主要由下列幾個(gè)部分組成:天線陣列和相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò);包括低噪聲放大器和濾波器在內(nèi)的RF前端;將每個(gè)天線單元接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)的下變頻器電路;在模擬部分和DSP模塊之間提供接口的數(shù)據(jù)采集模塊（DAM）;能處理所有數(shù)據(jù)通道中原始數(shù)據(jù)的DSP模塊電路。天線陣列：在空中傳播的信息既可以是信號(hào)源的位置，也可以是信號(hào)本身的內(nèi)容。要提高所需信息的接收質(zhì)量就必須處理掉來自各個(gè)方向的干擾信號(hào)。與使用頻率濾波來選擇某個(gè)頻段內(nèi)信號(hào)的方法相類似，空域?yàn)V波的方法可以選擇從某個(gè)方向到達(dá)的信號(hào)。這個(gè)功能可以用一個(gè)單獨(dú)的傳感器來實(shí)現(xiàn)（如雷達(dá)），但這種方法在同一個(gè)時(shí)間內(nèi)只能提取和跟蹤一個(gè)方向上的信號(hào)。如果需要同時(shí)跟蹤、識(shí)別來自幾個(gè)不同方向上的信號(hào)，就需要一個(gè)傳感器陣列（智能天線系統(tǒng)的天線陣列）。天線陣列信號(hào)的組合可以使特定方向上的信號(hào)被加重，而陣列聚焦方向與天線陣列的方位無關(guān)。對(duì)天線陣列信號(hào)采用不同的數(shù)據(jù)處理方法可以得到各種加權(quán)和，從而使多個(gè)方向上的有用信號(hào)可以被同時(shí)提取。這樣一來，就可以使不同的信號(hào)在同一時(shí)間內(nèi)的不同方向上實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用，提高系統(tǒng)的容量。射頻前端電路：天線陣列接收到的信號(hào)在下變頻到基帶進(jìn)行數(shù)字化處理之前，必須通過低噪聲放大器（LNA）和濾波電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅剐盘?hào)達(dá)到變頻器所要求的電平，并目_還要消除影響接收機(jī)噪聲系數(shù)的帶外干擾噪聲。LNA應(yīng)該具有較高的增益和較低的噪聲系數(shù)，從Ifu避免該設(shè)備產(chǎn)生的噪聲影響到接收機(jī)的噪聲系數(shù)。為了滿足這些要求，既要考慮由于器件材料不同引起的影響（如:砷化稼場效應(yīng)管等器件可以提供較低的噪聲系數(shù)），又要考慮實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)的前后級(jí)設(shè)備對(duì)于接收機(jī)整體噪聲系數(shù)的影響（如:雙工器或收/發(fā)開關(guān)的損耗、混頻器等后級(jí)部件的影響）。對(duì)于射頻前端電路的各級(jí)濾波器也有較高的要求。除了具有能濾除帶外噪聲的基本功能之外，濾波器的輸入輸出都要與相鄰的各級(jí)電路形成良好的匹配，以確保有用信號(hào)功率的有效傳輸。對(duì)于技術(shù)要求十分嚴(yán)格的系統(tǒng)，還要根據(jù)具體參數(shù)指標(biāo)的要求詳細(xì)設(shè)計(jì)各級(jí)濾波器的插入損耗、三階互調(diào)截點(diǎn)功率等。下變頻器：由于性能差的下變頻器會(huì)引入大量的虛假信號(hào)從而影響接收機(jī)的性能，因此在智能天線系統(tǒng)中下變頻器的性能于分重要。下變頻器通常可以用一個(gè)混頻器來實(shí)現(xiàn)。在大多數(shù)低成本的接收機(jī)中，下變頻器使用一個(gè)簡單二極管作混頻器。而實(shí)際的智能天線系統(tǒng)通常都應(yīng)采用能夠提高整個(gè)系統(tǒng)性能的混頻電路（如:平衡式混頻電路）。在智能天線的設(shè)計(jì)中，混頻器的混頻損耗是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，需要仔細(xì)的分析。在大多是情況下，本振信號(hào)的幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于射頻和中頻（IF）信號(hào)的幅度，所以分析中通?？梢院雎孕盘?hào)的射頻和中頻高次分量。通常，簡單的二極管混頻器的混頻損耗大于或等于6dB,而用有源器件構(gòu)成的混頻器則會(huì)提供一定的混頻增益。另外一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)是互調(diào)失真電平。當(dāng)射頻信號(hào)電平較弱時(shí)，中頻功率隨射頻輸入功率的增加而現(xiàn)線性增加，當(dāng)射頻功率超過某一個(gè)電平時(shí)，輸入/輸出曲線會(huì)變成非線性增加，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生互調(diào)失真。最后，在設(shè)計(jì)中還要考慮混頻器的噪聲系數(shù)等參數(shù)比。中頻及數(shù)字處理模塊：在下變頻器處理之后，射頻信號(hào)被轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，這樣有利于對(duì)不同信道的信號(hào)進(jìn)行分別處理。在中頻頻段的信號(hào)處理過程中，通常使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中，最重要的就是處理數(shù)據(jù)所采用的算法。優(yōu)秀的算法不僅可以有效地恢復(fù)信號(hào)中有用數(shù)據(jù)信息，還可以減小處理信號(hào)所需要的時(shí)間，達(dá)到提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和提高系統(tǒng)容量的目的。智能天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題：智能天線系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)包括了從模擬到數(shù)字、射頻微波到低頻等非常廣泛的知識(shí)領(lǐng)域，每一個(gè)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)都可能涉及到許多問題，而每一個(gè)問題解決的好與壞都可能會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)時(shí)性等。對(duì)智能天線系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于系統(tǒng)的整體性能與天線陣列所接收到的信

號(hào)強(qiáng)度關(guān)系較大，因此首先要仔細(xì)設(shè)計(jì)天線陣列;其次，由于射頻信號(hào)的頻率較高，在這個(gè)頻段對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、變頻等處理的時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)影響系統(tǒng)性能的各種問題;最后，在數(shù)字信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)中要仔細(xì)地選擇處理算法和實(shí)現(xiàn)方案，以保證系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)的落實(shí)。二、智能天線系統(tǒng)射頻通道的設(shè)計(jì)智能天線接收機(jī)的射頻部分主要包括:低噪聲放大器、本地振蕩器、混頻器以及中頻鎖相環(huán)等。在簡單介紹ADS仿真軟件設(shè)計(jì)環(huán)境和相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，給出了智能天線接收機(jī)射頻前端電路的設(shè)計(jì)和仿真試驗(yàn)結(jié)果。ADS軟件介紹：射頻電路處理的信號(hào)頻率通常較高，可以達(dá)到GHz。在這么高的頻段進(jìn)行電路設(shè)計(jì)不能采用常規(guī)的低頻電路設(shè)計(jì)方法，必須考慮離散參數(shù)的影響。設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行大量的理論計(jì)算，這樣就使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作較為困難。Agilent公司的EEsof/ADS軟件是一款功能強(qiáng)大的射頻仿真設(shè)計(jì)軟件，它能極大地提高射頻電路設(shè)訓(xùn)一的準(zhǔn)確性和效率，在射頻和微波電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文使用Agilent公司的EEsof/ADS軟件對(duì)智能天線接收系統(tǒng)中射頻前端中各單元電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，獲得了較好的仿真效果。1.低噪聲放大器的設(shè)計(jì)低噪聲放大器(LNA,low-noiseamplifier)是射頻接收機(jī)前端的主要部分，主要有四個(gè)特點(diǎn)。首先，它位于接收機(jī)的最前端，這就要求它的噪聲系數(shù)越小越好。為了抑制系統(tǒng)后面各級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)接收性能的影響，還要求LNA有一定的增益;另一方面，為了使后級(jí)的混頻器能夠正常工作不發(fā)生過載，增益又不宜過大。其次，由于LAN接收到的信號(hào)很微弱，所以低噪聲放大器是小信號(hào)線性放大器。由于傳輸路徑的影響，在接收信號(hào)的同時(shí)可能會(huì)伴有強(qiáng)干擾信號(hào)混入，使接收信號(hào)的幅度不斷的變化，因此還要求放大器有足夠大的線性范圍。第二，低噪聲放大器一般通過傳輸線直接與天線或天線濾波器相連，為了實(shí)現(xiàn)功率最大的傳輸或最小的噪聲系數(shù)，放大器的輸入端必須與天線或天線濾波器實(shí)現(xiàn)良好匹配。第四，低噪聲放大器還應(yīng)具有一定的選頻功能，以抑制帶外和鏡像頻率干擾。低功耗：LNA是小信號(hào)放大器，它需要一個(gè)靜態(tài)偏置。低功耗的本質(zhì)是采用低電源電壓和低偏置電流。但是，這樣做會(huì)使晶體管的跨導(dǎo)減小，導(dǎo)致晶體管及放大器一系列指標(biāo)的變化。通常，可以選用專用的低功耗器件來滿足系統(tǒng)低功耗性能的要求。工作頻率：晶體管的工作頻率與晶體管的特征頻率fT有關(guān)。根據(jù)雙極型晶體管和場效應(yīng)管的fT公式可知，減小偏置電流可以降低晶體管的特征頻率。但是，器件偏置條件的變化又會(huì)引起其他參數(shù)的變化，因此要綜合考慮介與偏置之間的關(guān)系來設(shè)計(jì)系統(tǒng)。任何一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)可以用下式表示：任何一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)可以用下式表示：對(duì)于共射阻態(tài)的單管雙極型晶體管放大器的噪聲系數(shù)可以表示為:增益：低噪聲放大器的增益要適中，增益過大會(huì)使下級(jí)混頻器的輸入過載而產(chǎn)生非線性失真;增益太小又會(huì)影響后面各級(jí)對(duì)系統(tǒng)噪聲的抑制能力。放大器的增益首先與管子的跨導(dǎo)有關(guān)，而跨導(dǎo)又直接由工作點(diǎn)的電流決定。其次，放大器的增益還與它的負(fù)載有關(guān)。通常的低噪聲放大器是頻帶放大器，其選頻功能主要由其負(fù)載決定。LNA的負(fù)載一般有兩種形式，一是采用調(diào)諧的LC回路作為負(fù)載，并將下級(jí)混頻器的輸入電容并入回路電容，做成頻帶放大器，既可用于選頻又可用來提高放大器增益。二是采用集中選頻濾波器作為負(fù)載，選頻功能由濾波器來完成。輸入阻抗匹配低噪聲放大器與信號(hào)源的匹配是很重要的。放大器與信號(hào)源的匹配有兩種方式:一是以獲得噪聲系數(shù)最小為目的的噪聲匹配，二是以獲得最大傳輸功率和最小反射損耗為目的的共扼匹配。大多數(shù)LNA通常采用后一種匹配方法，這樣可以避免由于不匹配引起的LNA向天線的能量反射。2穩(wěn)定性判定放大器電路必須滿足的首要條件之一是在工作頻段內(nèi)具有穩(wěn)定性，這一點(diǎn)對(duì)于低噪聲放大電路非常重要。如果設(shè)計(jì)時(shí)不加注意就可能使放大電路在某些工作頻率和終端條件下具有振蕩的趨勢(shì)，影響系統(tǒng)的性能，將放大器看作一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)由s參數(shù)及其外部條件r:和r,確定，要使其穩(wěn)定就是要求反射系數(shù)的模值小于1,即：■CD<1<1其中A二爲(wèi)薛叮一￡]?為]*在放大器的設(shè)計(jì)過程中，可以通過穩(wěn)定性圓來判斷所設(shè)計(jì)的放大器是否處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，是否有發(fā)生振蕩的可能性和趨勢(shì)。功率增益與等功率增益：噪聲系數(shù)與等噪聲系數(shù)定義為網(wǎng)絡(luò)輸入端口的信噪比(SNR)與網(wǎng)絡(luò)輸出端口的信噪比(SNR)的比值。由S參數(shù)表示的放大器噪聲系數(shù)為：

由于低噪聲放大器的設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜，因此在一些特定的情況下可以忽略晶體管自身反饋的影響(即忽略512)以簡化設(shè)計(jì)工作，這種簡化的設(shè)計(jì)方法被稱為單向化設(shè)計(jì)法。但是在許多實(shí)際情況下，采用單向化設(shè)計(jì)法并不合適，因?yàn)楹雎詴?huì)使設(shè)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)誤差。在一些情況用這種設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的誤差是不能容忍的，這時(shí)就需要考慮的影響，采用雙共扼匹配設(shè)計(jì)法。與單向化設(shè)計(jì)法不同，它需要處理輸入、輸出端口反射系數(shù)的完整方程，這需要考慮更多的因素。3.低噪聲放大器的端口參數(shù)(S參數(shù))：盡管放大器AT-41400的典型端口參數(shù)已在參考手冊(cè)中給出，但是由于在電路中加入了電容和電感等器件，因此要對(duì)所設(shè)計(jì)的放大器電路的端口參數(shù)重新進(jìn)行測量，具體的測量結(jié)果如圖所示。其中，圖(a)以曲線和smith圓的形式分別給出了所設(shè)計(jì)放大器端口在1GHz時(shí)候的Sla.Sal的幅值和相角;511.Saa的值及其在圓圖中的位置。圖(b)以列表的形式給出了放大器在不同頻率下的S參數(shù)。對(duì)比AT-41400參考手冊(cè)中給出的放大器在1GHz時(shí)的端口參數(shù)，兩者的差別不大，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候可以利用參考手冊(cè)給出的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。竹21寧門m『巧fl竹21寧門m『巧fl0=Ti^l1tH￡11=D.ND；-13r?ON站皿Jll「財(cái)MJ唱fnT!2Fra*is-i3MF33Jrr奇7頑中1J■用叩巧■np^nggaZB■jIj1-03-S)溜礙謹(jǐn)㈣SKT7論、raojhiS(lVEd,：'3(2,1)S.2,2；ionnmjOD.CM3CP「FJIOIJ.OMsonomc:ocm<ha900Ohlinr.re0?980f761JS(lVEd,：'3(2,1)S.2,2；ionnmjOD.CM3CP「FJIOIJ.OMsonomc:ocm<ha900Ohlinr.re0?980f761J-45.830P^2Gi-645670.BS6J-8CUBS0EC9J-94249O.G-17/mmO.EI7/0.6D7/0.505/IP5G$1'IE血■23.641130.79911LUU12C0G1?CC:'14CC51.600&0.5B9J0.5E^/0.5B3/0:561!1^OD>HZ1t005He1HDD；lI?i.3C0?H7U.iBDJ0.579rI1.673J0.579；147539152COC丘i>5C165ree:B3.227i&64201&9423172.240nioh■■-.-：0.018：■79.SO7nl7F.r69；150.03'ras.uasn.035I-8護(hù)10.339*：5237O.ji-'5jHj0.^1fclrc30.046f51.0730,948：'5pj900.052：50.;680.053f§o.Bgi0.355.'51：：50.357'51.C78U.059I51-350.06^：f52.H03liIE3:'6/Q3!0.365f53.25317.033M78.294■6.424/1S1.71715100/14786?1-3.599/-137.04812.1Tn/1?SAO3'0.007/121,^59.S21/115.4S90.380/-.0.59^b.114/■'06.1057445P-12.J75"bliTuT^Tw?6.373/95.3335,^0/93.0.55.560Jju.3725.220/37.5074血8J曲.迪4.662/03.3454J.J4J01J2B4.209J79/96[LWTT5SS0.692J-10.684DRMJ-15B370.631/-20.0700^9Gj-?3nO60.552/-24.8T80.520/-25.SK0.492/-26.583TJ/4JIIJ-Jb'EJbC0.423/^26.7310.402/-26.U5O.3en-26.3iSO.JBTJ-26.21S0.380:26.150IF!'5J2b：170.369/-26.11.9(b)（c）LNA輸出匹配網(wǎng)絡(luò)鎖相環(huán)路是通信系統(tǒng)和通信設(shè)備中常用的功能模塊，其主要特點(diǎn)就是它的振蕩器的輸出信號(hào)可以根據(jù)輸入信號(hào)（參考信號(hào)）的頻率和相位進(jìn)行變化。在鎖定狀態(tài)時(shí)，輸出振蕩器的信號(hào)與參考信號(hào)之間的相位差為零或者為固定的常數(shù)。如果輸出與參考信號(hào)之間存在一定的相位差（非鎖定狀態(tài)），環(huán)路會(huì)采用一種控制機(jī)制使輸出振蕩器輸出信號(hào)的相位發(fā)生變化，以減小兩個(gè)信號(hào)之間的相位差，最終使輸出信號(hào)的相位鎖定在參考信號(hào)的相位上。常用的鎖相環(huán)路由鑒相器（PhaseDetector,PD、環(huán)路濾波器（LoopFilter,LF）。壓抓'振蕩器（Voltage-ControlledOsc