C頻段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

畢娜娜，劉德喜

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

低噪聲放大器（LNA）的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號[1]，減小噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)帶寬（BW）和信噪比（S/N）一旦確定，對系統(tǒng)靈敏度起決定作用的就是噪聲系數(shù)（NF）了，所以處在接收機(jī)前端的低噪聲放大器的噪聲大小在整個(gè)接收機(jī)中起關(guān)鍵作用，直接決定了接收機(jī)的靈敏度。

低噪聲放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是，在達(dá)到需求的較低噪聲目標(biāo)前提下，獲得盡可能高的增益。由于最大功率增益和最小噪聲系數(shù)以及低回波損耗等各項(xiàng)指標(biāo)不能兼得，大多數(shù)情況下，需要在電路設(shè)計(jì)及仿真時(shí)，對各項(xiàng)指標(biāo)按照需求進(jìn)行合理調(diào)諧。

采用S參數(shù)設(shè)計(jì)小信號放大器一般分為直流[2]設(shè)計(jì)、射頻設(shè)計(jì)、總體示意圖設(shè)計(jì)三個(gè)步驟。工作頻率范圍至少高達(dá)25GHz的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管[3]（MESFET）和高電子遷移率晶體管（HEMT）很適合設(shè)計(jì)小信號放大器，本文選用的NE334S01便屬于場效應(yīng)晶體管。本文采用S參數(shù)仿真設(shè)計(jì)低噪聲放大器，將場效應(yīng)管看成一個(gè)黑盒子[4]，從系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)來設(shè)計(jì)放大器。

1 C頻段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

本文的C頻段低噪聲放大器選用兩個(gè)NEC公司的場效應(yīng)管NE334S01級聯(lián)組成。NE334S01是N溝道場效應(yīng)管，在C頻段擁有優(yōu)越的噪聲特性和較高的可用增益。

表1 NE334S01噪聲、增益與頻率的參數(shù)關(guān)系Table 1 The parameter relations among the noise，gain and frequency of NE334S01

如表1中數(shù)據(jù)所示，NE334S01在3.6GHz～4.2GHz這個(gè)工作頻率范圍內(nèi)能夠達(dá)到的最小噪聲系數(shù)約為0.3dB，而預(yù)期要達(dá)到的噪聲溫度為45K（對應(yīng)噪聲系數(shù)0.63dB），因此兩級NE334S01級聯(lián)的噪聲性能能夠滿足我們的設(shè)計(jì)需求。同時(shí)，單個(gè)NE334S01的增益約為16dB，兩級級聯(lián)后增益大于30dB，也能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1 偏置電路設(shè)計(jì)

放大器電路中必不可少的電路單元是有源或無源偏置網(wǎng)絡(luò)，偏置的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，并抑制晶體管參數(shù)的離散性[5]，以及溫度變化的影響，從而保持恒定的工作特性。偏置網(wǎng)絡(luò)有無源網(wǎng)絡(luò)和有源網(wǎng)絡(luò)兩大類。

無源網(wǎng)絡(luò)即自偏置網(wǎng)絡(luò)，是最簡單的偏置電路，通常在源級串聯(lián)電阻構(gòu)成，它為射頻晶體管提供合適的工作電壓和電流。這種無源偏置網(wǎng)絡(luò)的主要缺點(diǎn)是對晶體管的參數(shù)變化十分敏感，并且溫度穩(wěn)定性較差。

C頻段低噪聲放大器的偏置電路采用無源偏置網(wǎng)絡(luò)，在柵極供負(fù)電-2V，在漏極供電+5V，通過加入電阻網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整柵壓為-0.4V～-0.5V，電流約為15mA，漏極電壓約為2V。

1.2 ADS仿真設(shè)計(jì)

射頻放大器的設(shè)計(jì)與常規(guī)低頻電路的設(shè)計(jì)方法不同，需要考慮一些特殊的因素。放大器的設(shè)計(jì)要求入射電壓波和入射電流波都與有源器件良好匹配，以降低輸入端的駐波比，此外還需要利用合理的匹配網(wǎng)絡(luò)避免放大器發(fā)生振蕩，使放大器處于穩(wěn)定區(qū)。所以，穩(wěn)定性分析、增益圓、噪聲系數(shù)圓等都是放大器電路設(shè)計(jì)的基本要素，依據(jù)這些要素才能設(shè)計(jì)出符合增益、增益平坦度、輸入輸出駐波比、輸出功率、使用帶寬等要求的放大器。

本文的C頻段低噪聲放大器仿真設(shè)計(jì)，旨在獲得較好的噪聲性能。在整個(gè)鏈路中，第一級放大器的噪聲起關(guān)鍵作用，所以第一級場效應(yīng)管以獲得最佳噪聲為設(shè)計(jì)目標(biāo)，第二級場效應(yīng)管以獲得較大功率增益為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

除了要兼顧增益和噪聲兩項(xiàng)重要指標(biāo)外，還需要考慮輸入駐波比小于1.5：1這一十分苛刻的指標(biāo)要求，對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)諧。圖1為C頻段LNA電路在ADS2011中的仿真原理圖。

圖1 C頻段LNA電路仿真原理圖Fig.1 C-band low noise amplifier’s circuit simulation diagram

第一級除了要按照最佳噪聲匹配到最佳噪聲時(shí)的反射系數(shù)Γopt外，還要在其源極引入一定的負(fù)反饋，使Γopt和輸入反射系數(shù)Γin在smith圓圖上的位置更為接近。這雖然損失了一定的增益，但可以在獲得最佳噪聲性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較低的輸入駐波比。第二級NE334S01的源極直接就近接地，沒有負(fù)反饋，匹配電路的設(shè)計(jì)原則是第二級的輸入阻抗與第一級的輸出阻抗相匹配，使信號獲得最大傳輸，補(bǔ)償?shù)谝患墦p失的增益，同時(shí)有助于整個(gè)電路駐波比的優(yōu)化。

圖2為增益仿真結(jié)果?？梢姡诠ぷ黝l帶內(nèi)最大增益約為29.0dB，最小增益為28.8dB，滿足設(shè)計(jì)要求（30±2）dB。

圖3為輸入回波損耗的仿真結(jié)果。在工作頻帶內(nèi)輸入回波損耗均小于-14dB，滿足設(shè)計(jì)要求（小于1.5：1，即 -14dB）。

圖4為噪聲系數(shù)仿真結(jié)果。在工作頻帶內(nèi)噪聲系數(shù)均小于0.4dB，滿足設(shè)計(jì)要求（噪聲溫度低于45K，對應(yīng)噪聲系數(shù)小于0.63dB）。

圖5為輸出回波損耗仿真結(jié)果。在工作頻帶內(nèi)輸出回波損耗均小于-14.2dB，滿足設(shè)計(jì)要求（小于1.5：1，即-14dB）。

圖2 S21仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result of S21

圖3 S11仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of S11

圖4 NF仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of NF

圖5 S22仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of S22

1.3 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

在放大器設(shè)計(jì)中，不同的源和負(fù)載條件下電路的穩(wěn)定性[6]是很重要的。穩(wěn)定性是指放大器在溫度、信號功率、源及負(fù)載等環(huán)境因素變化比較大的情況下依舊保持正常工作特性的能力。

對于C頻段低噪聲放大器這種兩端口的網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定性分析僅僅適用于兩端口對外部阻抗的敏感性問題，不適用于分析內(nèi)部振蕩。所以即使一個(gè)多級放大器的總穩(wěn)定因子大于1，它也有可能振蕩，必須對包含有源器件[7]的所有內(nèi)部兩端口網(wǎng)絡(luò)都進(jìn)行穩(wěn)定性分析。將兩個(gè)穩(wěn)定的放大器串聯(lián)起來才是真正穩(wěn)定的低噪聲放大器。

第一、二級放大器穩(wěn)定因子仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。可見，第一級和第二級放大器的穩(wěn)定因子均大于1。根據(jù)穩(wěn)定性理論，這兩個(gè)放大器級聯(lián)起來的低噪聲放大器穩(wěn)定性能夠達(dá)到要求。

圖6 第一級放大器穩(wěn)定因子仿真結(jié)果Fig.6 The simulation result of the first stage amplifier’s stability factor

圖7 第二級放大器穩(wěn)定因子仿真結(jié)果Fig.7 The simulation result of the second stage amplifier’s stability factor

2 實(shí)測結(jié)果及分析

2.1 實(shí)物制版圖

根據(jù)ADS 2011仿真計(jì)算，采用εr=3.38、H=0.8mm的Rogers 4003介質(zhì)基板，利用軟件的調(diào)諧功能對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作60mm×30mm的實(shí)物印制板，如圖8所示。

圖8 實(shí)物版圖Fig.8 Actual PCB layout

2.2 測試結(jié)果

對實(shí)物進(jìn)行指標(biāo)測試，測試結(jié)果如表2所示。

測試儀器：N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和N8765A噪聲系數(shù)測試系統(tǒng)。

表2 測試結(jié)果Table 2 Test results

由表2測試結(jié)果可以看出，測試指標(biāo)基本與仿真結(jié)果吻合，滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)測結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)之間存在一定的差異，主要是因?yàn)槠骷哂幸欢ǖ碾x散性，與廠家提供的數(shù)據(jù)不能完全吻合，此外結(jié)構(gòu)以及接插件帶來的影響無法納入仿真計(jì)算。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)放大器需要考慮的性能有很多，其中最重要的指標(biāo)是噪聲系數(shù)、功率增益、穩(wěn)定性、駐波比、輸出功率1dB壓縮點(diǎn)等。利用ADS仿真軟件建立精確的器件仿真模型[8]，對電路性能進(jìn)行模擬，得到的結(jié)果可以縮短研發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)效率。仿真及實(shí)測結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的C頻段低噪聲放大器能夠滿足接收系統(tǒng)要求，其設(shè)計(jì)方法和理論計(jì)算具有借鑒意義。

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