無線傳輸系統(tǒng)中低噪聲放大電路的研究與設計

　　1 引言

　　近年來，隨著沖擊波存儲測試技術的不斷發(fā)展，無線傳輸技術廣泛應用于沖擊波存儲測試領域。針對沖擊波測試對無線傳輸系統(tǒng)通信距離的要求，研究了功率放大電路，設計出低噪聲放大電路，從而提高無線傳輸系統(tǒng)的接收靈敏度，滿足沖擊波測試對無線傳輸距離的要求。

　　2 低噪聲放大電路總體設計方案

　　圖1為無線傳輸系統(tǒng)原理框圖。接收端的功率放大電路模塊由于信道具有衰減特性，經遠距離傳輸?shù)竭_接收端的射頻信號電平多是μV數(shù)量級，因此需放大微弱的射頻信號。同時，信道中還存許多干擾信號，即噪聲，所以該系統(tǒng)設計應采用低噪聲的射頻功率放大電路。

　　2．1 低噪聲功率放大電路

　　低噪聲功率放大電路的核心器件是低噪聲功率放大器，由于目前市場上的低噪聲功率放大器性價比高，因此該低噪聲功率放大電路無需設計低噪聲功率放大器，而在于其外圍電路及阻抗匹配。根據(jù)設計要求，所選的低噪聲功率放大器應滿足：工作頻段應覆蓋無線收發(fā)器的工作頻率433 MHz；工作電壓為3～3.3 V；高增益；低損耗；小噪聲系數(shù)。

　　以下為射頻功率放大器的主要技術參數(shù)。

　　(1)工作頻率范圍(F)低噪聲功率放大器滿足各項指標的工作頻率范圍。要保證各項指標以及放大器的實際工作頻率應盡可能在所指定的工作頻率范圍內。

　　(2)功率增益(G)是指在輸入輸出端口相匹配下，輸出功率和輸入功率的比值。設計過程中要求功率增益越大越好。

　　(3)噪聲系數(shù)(NF) 噪聲系數(shù)常作為接收端的小信號低噪聲放大器的主要技術指標，該電路設計要求噪聲系數(shù)越小越好。

　　(4)1分貝壓縮點輸出功率(P1dB)在放大器線性動態(tài)范圍內，其輸出功率隨輸入功率線性增加。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率的增大而線性增大。通常把增益下降到比線性增益低1 dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，用P1dB表示。動態(tài)范圍越大越好。

　　(5)三階截斷點(IP3) 三階截斷點是衡量功率放大器線性度的重要指標，工程上常用三階截斷點表征互調畸變。

　　(6)輸入、輸出駐波比(VSWR)VSWR反映放大電路輸入和輸出端口的阻抗失配情況，因此低噪聲放大器的VSWR應滿足：VSWR越小，反射越小，匹配越好，傳輸效率越高。

　　(7)回波損耗(Reverse Losation)它是信號反射性能的參數(shù)?；夭〒p耗說明入射功率的一部分被反射回到信號源。通常要求反射功率盡可能的小，這樣就有更多的功率傳送至負載。

　　2．2 低噪聲功率放大器選型

　　根據(jù)系統(tǒng)設計要求，以及多種同類器件比較，RFMD公司的RF2361具有高性能、低噪聲、高增益、高動態(tài)范圍，可接收10 dB的輸入信號，具有工作等待模式的特點，故選用RF2361作為LNA主器件。

　　圖2為RF2361的引腳排列，其中：RF IN為低噪聲功率放大器輸入，需通過一阻抗匹配網(wǎng)絡達到50Ω阻抗匹配：RF0UT為低噪聲功率放大器輸出，也需通過一阻抗匹配網(wǎng)絡達到50Ω阻抗匹配；同時電源VCC給整個電路提供工作電壓。VPD用于控制偏置電流，與偏置電阻R1共同確定偏置電流。GND1、GND2為接地。

　　2．3 低噪聲功率放大電路原理

　　以低噪聲功率放大器RF2361為核心設計的低噪聲功率放大電路，如圖3所示，其VPD引腳上的并聯(lián)電容器實現(xiàn)電源VPD的濾波，RFOUT引腳上的電感電容串并聯(lián)網(wǎng)絡可對電源VCC濾波。

　　2．4 放大電路阻抗匹配網(wǎng)絡

　　典型的放大器一般包括輸入匹配網(wǎng)絡、晶體管放大電路、阻抗變換網(wǎng)絡、直流偏置和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡，如圖4所示。確定阻抗匹配網(wǎng)絡中元件的參數(shù)、類型以及連接關系是實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡的關鍵。阻抗匹配是射頻電路設計的重要問題，其目的是為了實現(xiàn)能量的最大功率傳輸，提高能量的傳輸效率。

　　阻抗匹配是指在能量傳輸時，要求負載阻抗和傳輸線的特征阻抗相等，此時傳輸?shù)哪芰坎粫a生反射，幾乎都被負載吸收。反之，如果阻抗失配，那么傳輸中就會有能量損耗。對于電路中的電流，低頻率時，電阻起主要阻礙作用，而在高頻時，電容和電感起阻礙作用也明顯。因此，在高頻時，就要考慮電路的阻抗匹配問題。

　　阻抗匹配電路的基本要求為：將負載阻抗變換為與功放要求相匹配的負載阻抗，以保證傳輸最大能量：濾除多余的各次諧波分量，以保證負載能獲得所需頻率的射頻功率：匹配電路的功率傳輸效率要盡可能高，即匹配電路的損耗要小。而阻抗匹配有2種方式：改變阻抗力和調整傳輸線。其中，改變阻抗力：是把電容或電感與負載串聯(lián)起來，即增加或減少負載的阻抗值。

　　3 測試結果

　　采用最優(yōu)性能的RF2361為核心設計的低噪聲功率放大電路，使用EDA軟件Ansoft designer中的電路優(yōu)化工具來對射頻電路優(yōu)化分析和仿真，優(yōu)化低噪聲放大電路的技術參數(shù)，其電路仿真結果表明：整個功率放大電路已達到50Ω阻抗匹配要求，其網(wǎng)絡性能得到優(yōu)化，解決了射頻放大電路設計中電路匹配問題。經過矢量網(wǎng)絡分析儀的測量，優(yōu)化的電路參數(shù)比以前有較大改進，并大大簡化電路設計。

　　4 結語

　　提出射頻功率放大電路的總體設計方案，以低噪聲功率放大器為核心，設計了低噪聲功率放大電路。采用軟件匹配方法．解決了射頻低噪聲放大電路的阻抗匹配問題，使得低噪聲放大電路的各項重要參數(shù)都得到了優(yōu)化。需要注意的是選擇最優(yōu)的低噪聲功率放大器，有利于增加無線傳輸系統(tǒng)的通信距離。