WCDMA分布式基站低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)

引 言
LNA用于接收機(jī)前端電路，主要用來放大從天線接收到的微弱信號(hào)，降低噪聲干擾，其噪聲指標(biāo)直接影響接收機(jī)的靈敏度，而靈敏度是通信接收機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，所以LNA電路設(shè)計(jì)的優(yōu)略對(duì)于接收機(jī)性能至關(guān)重要，且在商業(yè)應(yīng)用中，數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)無線基站用LNA電路提出了更為苛刻的要求。

1 LNA電路的基本理論
LNA電路的主要技術(shù)指標(biāo)有噪聲系數(shù)(FN)、增益、工作頻帶、輸入／輸出駐波比和增益平坦度等，其中FN和增益對(duì)接收機(jī)性能的影響較大。
設(shè)計(jì)LNA電路時(shí)，在保證電路絕對(duì)穩(wěn)定，避免產(chǎn)生自激振蕩的情況下，盡量降低放大器的FN。對(duì)于絕對(duì)穩(wěn)定的晶體管，可以按照最佳噪聲匹配得到最低的FN；對(duì)于條件穩(wěn)定的晶體管，要優(yōu)先考慮穩(wěn)定性因素。完成匹配后的放大器，要對(duì)穩(wěn)定因子進(jìn)行測試，在全頻段內(nèi)，要求穩(wěn)定性因子μ>1。
為保證低噪聲性能，通過電抗濾波器提供偏置電壓或電流，而不用電阻偏置電路，以避免將電源噪聲和偏置電阻的熱噪聲引入到射頻通道。
另外，良好的阻抗匹配設(shè)計(jì)能夠提高電路傳輸能量，提高系統(tǒng)增益，改善駐波特性，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低噪聲等，在設(shè)計(jì)LNA電路時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的性能需求選擇不同的匹配方式。

2 LNA電路的設(shè)計(jì)
2．1 器件的選擇和級(jí)數(shù)的確定
設(shè)計(jì)LNA電路，首先要選擇FN小的放大管。從目前的種類和應(yīng)用來看，Si和SiGe類低噪聲晶體管的FN要高一些，好的可做到0．7 dB左右，F(xiàn)N稍高的為砷化鎵材料器件，F(xiàn)N最低的為增強(qiáng)型PHEMT(E-PHEMT)器件。本設(shè)計(jì)選用Agilent的ATF-54143，該放大管為E-PHEMT器件，此類器件具有較優(yōu)的射頻特性。
本文的LNA電路要求實(shí)現(xiàn)增益(30±1)dB，F(xiàn)N1 dB，輸入／輸出的駐波小于1．5，OIP3>30 dBm，采用兩級(jí)LNA電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成。為了保證LNA電路端口駐波、放大器的穩(wěn)定性和足夠大的增益，前級(jí)電路采用平衡式結(jié)構(gòu)，后級(jí)電路主要考慮端口駐波、線性和穩(wěn)定性。LNA電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，射頻信號(hào)從耦合器1腳輸入，功率平均分配到2腳和3腳，但是3腳的射頻信號(hào)相位比2腳相位滯后90 °。如果上下兩路LNA性能以及單板布局完全相同，那么兩路LNA的反射系數(shù)也完全相同，且下支路的輸入反射波相位仍然比上支路的輸入反射波相位滯后 90°，即假設(shè)上支路的反射波相位為0°，則下支路反射波的相位為-90°。兩路反射波經(jīng)過3 dB耦合器到達(dá)1腳，上支路的反射波相位為θ°(假設(shè)1腳輸入口和2腳耦合口之間的相移為θ°)，下支路的反射波到達(dá)1腳后，相位變成θ-90°-90° =θ-180°，因此兩路反射波在1腳完全抵消，從而保證Input輸入駐波非常小。

同理可以分析輸出端耦合器1腳輸出駐波性能非常好，且輸入／輸出的反射波都消耗在兩個(gè)50 Ω電阻上。采用平衡式LNA的最大好處是可以保證LNA單管在最佳噪聲匹配的前提下獲得非常優(yōu)良的駐波性能。
2．2 器件的穩(wěn)定性
S參數(shù)仿真表明，ATF-54143在低頻和高頻下都容易自激，本設(shè)計(jì)采用在輸入口和輸出口分別加電容(或電感)和電阻串聯(lián)到地的方式，形成低頻端吸收式負(fù)載和高頻端吸收式負(fù)載。穩(wěn)定性改善后的μ穩(wěn)定性因子如圖2所示。