寬帶平衡式低噪聲放大器的研究與設(shè)計

劉文豹，楊自強，陳濤

電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都611731

寬帶平衡式低噪聲放大器的研究與設(shè)計

劉文豹，楊自強，陳濤

電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都611731

為解決低噪聲放大器設(shè)計時帶寬和駐波的問題，提出一種結(jié)合平衡放大結(jié)構(gòu)和負(fù)反饋技術(shù)設(shè)計寬帶低噪聲放大器的方法。采用ATF38143晶體管，利用ADS軟件對其進行匹配優(yōu)化，以自偏壓的形式提供負(fù)壓簡化電路，通過并聯(lián)諧振電路調(diào)節(jié)增益平坦度，設(shè)計出一個工作在1．5～2．5 GHz內(nèi)、端口駐波小于1．4，噪聲系數(shù)優(yōu)于0．55、最大增益大于14 dB、帶內(nèi)增益平坦度優(yōu)于2 dB的寬帶低噪聲放大器，很好地解決了低噪聲放大器的帶寬和駐波問題。

平衡放大；負(fù)反饋；寬帶；低噪聲放大器；噪聲系數(shù)

隨著雷達技術(shù)和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，對兩者的性能要求也越來越高，低噪聲放大器（low?noise amplifier）處于雷達接收機和射頻接收機射頻前端的最前級，它的主要作用是放大接收到的微弱信號，抑制系統(tǒng)噪聲，對整個系統(tǒng)的性能影響很大［1?3］。因此具有高增益、低噪聲系數(shù)、寬帶寬的LNA是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要研究方向。

低噪聲放大器的設(shè)計思路是通過對晶體管做最佳噪聲系數(shù)匹配，通過選擇合適的方案折中增益、噪聲系數(shù)、帶寬、增益平坦度、駐波等多個指標(biāo)。文中基于晶體管ATF38143，采用平衡放大結(jié)構(gòu)和串聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寬帶放大、提高穩(wěn)定性，通過并聯(lián)諧振電路滿足帶內(nèi)增益平坦度，利用advanced design sys?tem（ADS）軟件對晶體管的輸入輸出進行匹配仿真。

1 設(shè)計理論基礎(chǔ)

1．1 平衡放大技術(shù)

平衡式放大器是由2個3 dB定向耦合器和2個相同的放大電路構(gòu)成，基本的電路結(jié)構(gòu)如圖1［4］，第1個90°的混合耦合器將輸入信號分成2路有著相等幅度但有90°相位差的分量，然后通過2路相同的放大電路放大。第2個3 dB的耦合器將2路放大的信號重新合在一起。因為混合耦合器的相位特性，來自放大器輸入端的反射在2個耦合器的輸入端被抵消，從而改進了阻抗匹配。平衡放大技術(shù)的主要優(yōu)點有：1）可以獲得平坦的增益、噪聲系數(shù)；2）有較高的穩(wěn)定度和駐波比；3）如果一路放大電路失效，放大器不會完全失效，增益只會適度的降低；4）由于平衡式的輸入輸出都是耦合器，容易級聯(lián)。

圖1 平衡式放大器電路的結(jié)構(gòu)

本設(shè)計中耦合器采用了lange耦合器，該耦合器采用相互連接的4根耦合線。這種耦合器容易達到3 dB的耦合比，并且可以達到很寬的帶寬。

1．2 串聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)

串聯(lián)負(fù)反饋電路的結(jié)構(gòu)是在晶體管的源級加入一個電抗性的元件，可以使用一個很小的電感也可以是一段微帶線，圖2為其基本電路形式［6］。源極串聯(lián)負(fù)反饋主要用于提高放大器的穩(wěn)定性，增加線性度，有益于實現(xiàn)噪聲匹配。源極串聯(lián)負(fù)反饋多采用感性元件且感值很小，在本設(shè)計中采用微帶線代替，由于其無源性，并不會影響放大器的噪聲。

圖2 串聯(lián)負(fù)反饋示意

2 放大器電路仿真與優(yōu)化

ADS是Agilent公司的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件，可實現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字和模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真［4］。它內(nèi)含基于矩量法mo?mentum的電磁仿真模塊，是一種對3D進行簡化的2．5D電磁仿真器，可對本設(shè)計中的lange耦合器進行聯(lián)合仿真驗證。

本設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計一個工作在1．5～2．5 GHz帶寬內(nèi)，噪聲系數(shù)優(yōu)于1，端口駐波小于1．5，帶內(nèi)增益大于10 dB，增益平坦度小于2 dB的低噪聲放大器。

2．1 lange耦合器的仿真

在ADS中可以直接選擇lange耦合器的模型建立仿真原理圖，設(shè)置lange耦合器的參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗公式W／H＝0．107，S／H＝0．071，L＝λ／4，其中W為微帶線的寬度，S為微帶線之間的距離，H為基板的厚度，λ為設(shè)計中心頻率的波長［7］。本設(shè)計采用介電常數(shù)為4．6、厚度為0．8 mm的F4板，因此可以計算出各個參數(shù)的初值，并通過ADS優(yōu)化得出最佳的設(shè)計結(jié)果。為獲得更準(zhǔn)確的計算結(jié)果，使用ADS的momentum電磁仿真模塊對lange耦合器的版圖進行聯(lián)合仿真，仿真的模型圖片如圖3。通過觀察ADS的momentum仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)其與原理圖的仿真結(jié)果有比較大的差別。通過改變原理圖的W、S參數(shù)值反復(fù)仿真可得到最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果。聯(lián)合仿真的結(jié)果傳輸參數(shù)S3，1、S4，1如圖4，并且3個端口的回波損耗均優(yōu)于－22 dB，由結(jié)果可知在帶內(nèi)該耦合器完全滿足設(shè)計要求。

圖3 串聯(lián)負(fù)反饋示意

圖4 lange耦合器聯(lián)合仿真結(jié)果

2．2 低噪聲放大器的仿真設(shè)計

通過ADS軟件對所選晶體管ATF38143進行匹配，對單路的放大器進行設(shè)計。首先對晶體管進行直流仿真，結(jié)合器件手冊確定晶體管的靜態(tài)工作點。由于晶體管需要負(fù)壓，為簡化電路形式，采用自偏壓的形式為晶體管提供負(fù)壓，在源級接一個電阻到地，柵極接一微帶線到地，這樣?xùn)艠O相對源級就成一個負(fù)壓狀態(tài)。同時在源級接一個2 mm長的微帶線形成一個串聯(lián)負(fù)反饋，提高穩(wěn)定性。對晶體管的輸入匹配采用最佳噪聲系數(shù)匹配，這樣可以保證整個電路有一個比較好的噪聲系數(shù)指標(biāo)，輸出匹配按最大增益匹配來保證放大電路的增益要求。由于整個放大器的輸入輸出駐波由耦合器決定，放大器匹配時可以忽略這個指標(biāo)，保證最優(yōu)的噪聲系數(shù)和增益。

將之前仿真的lange耦合器加入到原理圖中，并將仿真得到的單路放大鏈路復(fù)制拷貝建立平衡式放大器原理圖，完整的電路原理圖如圖5所示。由于仿真的增益在帶內(nèi)平坦度無法滿足指標(biāo)，可在每路放大電路中并聯(lián)一個諧振電路的形式調(diào)節(jié)增益平坦度。該諧振電路由電容、電感和電阻構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)諧振回路的諧振頻率和電阻的值使平坦度滿足要求，同時諧振回路可以增加低頻段的穩(wěn)定性。

圖5 本設(shè)計放大器的完整原理圖

2．3 仿真結(jié)果與分析

對圖5進行最終優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果如圖6，由仿真結(jié)果可知在工作帶寬1．5～2．5 GHz內(nèi)，輸入輸出回波損耗優(yōu)于－15 dB，兩端口駐波小于1．4，噪聲系數(shù)優(yōu)于0．55，最大增益大于14 dB，帶內(nèi)增益平坦度優(yōu)于2 dB，在0～6GHz內(nèi)放大器絕對穩(wěn)定，各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

圖6 平衡式低噪聲放大器仿真優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)束語

設(shè)計低噪聲放大器主要考慮的指標(biāo)是噪聲系數(shù)和增益，但是這通常會犧牲放大器輸入駐波比的性能，因此普通結(jié)構(gòu)的LNA設(shè)計都是折中各個指標(biāo)。平衡式放大器能夠在增加一定的噪聲系數(shù)和損失一定的增益的條件下較好的改善輸入、輸出駐波比，擴展工作帶寬，同時平衡式低噪聲放大器的功率容量比單路放大器大一倍，可以有效增大接收機的動態(tài)范圍。文中采用平衡式放大器結(jié)構(gòu)和源極串聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)設(shè)計了一種寬帶的低噪聲放大器電路，通過ADS軟件設(shè)計優(yōu)化平衡電路中的lange耦合器，并對晶體管ATF38143進行匹配。采用自偏壓的形式簡化電路形式，通過并聯(lián)諧振回路的形式調(diào)節(jié)增益平坦度。最終設(shè)計出一個工作在1．5～2．5 GHz內(nèi)，兩端口駐波小于1．4，噪聲系數(shù)優(yōu)于0．55，最大增益大于14 dB，帶內(nèi)增益平坦度優(yōu)于2 dB的低噪聲放大器。

通過設(shè)計仿真結(jié)果可知，將平衡式放大器結(jié)構(gòu)和負(fù)反饋相結(jié)合引入低噪聲放大器的設(shè)計可以很好地解決低噪聲放大器的帶寬和駐波問題，并能保證較好的噪聲系數(shù)和帶內(nèi)增益。

［1］徐曉寧，胡兆剛．基于ADS的S波段平衡式寬帶低噪聲放大器的設(shè)計［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（12）：149?152．

［2］楊秀麗，李銘祥，葛建民，等．GSM基站應(yīng)用的平衡式低噪聲放大器［J］．上海大學(xué)學(xué)報，2007，13（2）：130?133．

［3］劉文豹，陳濤，楊自強，等．S波段低噪聲放大器的ADS仿真與設(shè)計［J］．電子產(chǎn)品世界，2013，2：37?39．

［4］趙霞．基于ADS的平衡式低噪聲放大器設(shè)計．火控雷達技術(shù)，2009，38（2）：68?71．

［5］尹治強，謝擴軍．基于ATF54143平衡式低噪聲放大器的設(shè)計［J］．電子設(shè)計工程，2012，21（2）：86?88．

［6］劉抒民，田立卿．使用負(fù)反饋技術(shù)設(shè)計寬帶低噪聲放大器［J］．遙測遙控，2007，28（3）：59?63．

［7］徐興福．射頻電路設(shè)計與仿真實例［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009：140?190．

［8］GOO J S，AHN H T，LADWIG D J，et al．A noise optimiza?tion technique for integrated low noise amplifiers［J］．IEEE J Solid State Circuits，2002，37（8）：994?1002．

［9］SHAEFFER D K，LEE T H．A 1．5 V，1．5 GHz CMOS low noise amplifier［J］．IEEE Journal of Solid State Circuits，1997，32（5）：745?759．

［10］MONGIA R，BHARTIA P，BAHL I J．RF and microwave coupled?line circuits［M］．London：Artech House，1999：243?304．

Research and design of the broadband balance type low noise amplifier

LIU Wenbao，YANG Ziqiang，CHEN Tao

Institute of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology，Chengdu 611731，China

In order to eliminate the defects of band width and standing wave in the design of a low?noise amplifier，a design method for a broadband low?noise amplifier by combining balance amplification structure and negative feedback technology was proposed．ATF38143 transistor was applied，ADS software was used for matching and optimizing the transistor，a simplified circuit for negative voltage was provided in self?biasvoltage，and a parallel?connection reso?nance circuit was utilized to regulate the gain flatness．Finally，a broadband low?noise amplifier was designed，which works under 1．5～2．5 GHz，with standing wave at port less than 1．4，noise coefficient more than 0．55，the maximum gain above14 dB and the gain flatness inside band more than 2 dB．

balance amplification；negative feedback；broadband；low?noise amplifier；noise coefficient

TN710．3

A

1009?671X（2014）01?0022?04

10．3969／j．issn．1009－671X．20130421

2013?04?26．

日期：2013?07?04．

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目（61006026）

劉文豹（1986?），男，碩士研究生；楊自強（1981?），男，副研究員．

劉文豹，E?mail：499693448＠qq．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20130704．1124．001．html