基于GSM的寬帶低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)

0 引言

低噪聲放大器(LNA)是無線通信設(shè)備中的關(guān)鍵電路，位于接收設(shè)備的最前端，對(duì)從天線接收的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行放大，其噪聲性能和增益對(duì)整機(jī)性能有重要影響，因此，要求該電路在小于要求噪聲指標(biāo)的情況下，具有盡可能高的增益。一般情況下，最小噪聲系數(shù)和最大增益是不能同時(shí)達(dá)到的，它們的指標(biāo)主要由輸入匹配電路決定。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，一般都采取兼顧的原則。

在國(guó)內(nèi)GSM系統(tǒng)中，工作頻率覆蓋了l710MHz～1990MHz的范圍，如果使用窄帶LNA電路，只能用于一種體制，應(yīng)用受到一定限制。本文設(shè)計(jì)的寬帶LNA電路，其工作頻率覆蓋了上述頻率范圍，使接收機(jī)前端的LNA電路具有很大靈活性。

1 低噪聲放大電路的設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化

1．1 性能指標(biāo)和器件選擇

設(shè)計(jì)要求工作頻率為1700MHz～2000MHz，噪聲系數(shù)小于1．8dB，增益大于13dB，輸入電壓駐波比小于2．0，輸出電壓駐波比小于 3．5。

設(shè)計(jì)選用AGILENT公司的AT41486管。該器件為通用NPN雙極型硅管，具有低噪聲、高增益、頻率特性好等優(yōu)良特性。模型選用ADS自帶的 pb參數(shù)模型。

1．2 電路穩(wěn)定性

電路穩(wěn)定性既是放大電路的一個(gè)重要指標(biāo)，又是電路正常工作的先決條件。電路穩(wěn)定工作是最基本的要求，而任何射頻電路在某些頻段和某些終端條件下都有產(chǎn)生振蕩的可能性。造成電路不穩(wěn)定的因素很多，主要有管子的S參數(shù)、輸入輸出匹配電路以及選取的工作點(diǎn)等。穩(wěn)定性度量通常用穩(wěn)定因子K、B、△表示，他們是器件小信號(hào)S參數(shù)的函數(shù)。在使用ADS工具時(shí)，計(jì)算K和B兩個(gè)參數(shù)非常方便，因此，這里用它們來衡量電路的穩(wěn)定性。計(jì)算公式如下：

只要K>l，|B|>0，電路就能穩(wěn)定工作

通過ADS對(duì)晶體管AT41486的穩(wěn)定因子進(jìn)行仿真，結(jié)果如表1所示。

由表1可見，在1600MHz到2100MHz范圍內(nèi)，都滿足K>1和B>0的要求，說明晶體管在所工作的頻段是絕對(duì)穩(wěn)定的，不需要采取穩(wěn)定措施。

1．3 噪聲系數(shù)

射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)與每一級(jí)電路的噪聲系數(shù)F和除末級(jí)外的功率增益G有關(guān)。如果射頻系統(tǒng)包括N級(jí)電路，其中第i級(jí)的功率增益為Gi，噪聲系數(shù)為 Fi，則射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F可表示為：

由式(5)可見，第一級(jí)的噪聲系數(shù)F1和增益G1對(duì)電路的整體噪聲指標(biāo)影響最大，而LNA恰為系統(tǒng)第一級(jí)，因此，它的設(shè)計(jì)非常重要，要求具有足夠小的噪聲系數(shù)，盡量高的增益。對(duì)于單級(jí)LNA電路來說，其噪聲系數(shù)可通過下面的式(6)計(jì)算，

其中，分別表示晶體管的最小噪聲系數(shù)、獲得最小噪聲系數(shù)時(shí)的最佳源反射系數(shù)和晶體管的等效噪聲電阻，它們均由管子本身的特性決定，其數(shù)值如表2所示。為輸入端源反射系數(shù)。由式(6)可以看出，當(dāng)時(shí)，放大電路的噪聲系數(shù)F最小，等于Fmin。

由于要兼顧放大電路的增益Ggain，因此，在滿足噪聲系數(shù)F要求的情況下，實(shí)際匹配可以適當(dāng)偏離，以取得更大的增益，滿足整體性能指標(biāo)。由表2可以看出，只要設(shè)計(jì)合理，在1700MHz～2000MHz范圍內(nèi)完全可以實(shí)現(xiàn)小于1．8dB的噪聲系數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，輸入匹配初始選，然后再根據(jù)其他指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

1．4 LNA結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是輸入輸出匹配電路?？紤]到工作頻率范圍寬，因此，輸入匹配采用微帶雙枝短截線，輸出為微帶單枝短截線。直流偏置根據(jù)管子的資料，采用10V電源，工作點(diǎn)設(shè)置為Vce=8．0V，Ic=10mA。

1．4．1 輸入匹配電路

通過仿真得到最佳源反射系數(shù)時(shí)的最佳輸入阻抗為11-j*14．2。為了得到最小噪聲系數(shù)，令，按照該阻抗設(shè)計(jì)輸入匹配電路，噪聲系數(shù)最小，但此時(shí)輸入端是失配的，因此，增益不是最大，電壓駐波比也不是最小。

設(shè)計(jì)選用聚四氟乙烯材料，εr=2．65，H=0．8mm，T=35μm。為了實(shí)現(xiàn)寬帶放大，輸入端采用微帶雙枝短截線。利用計(jì)算工具可得到符合要求的輸入匹配電路如圖2所示。

1．4．2 輸出匹配電路

使用同樣的方法可以得到輸出阻抗為78．05-j*42．65。輸出使用微帶單枝短截線，以實(shí)現(xiàn)共軛匹配。仿真得到的單枝短截線為 W1=W2=-W3=2．188mm，L4=29．33mm，L5=15．62mm。

1．5 仿真結(jié)果及分析

圖3為完整電路原理圖。通過ADS對(duì)其反復(fù)優(yōu)化，其結(jié)果如圖4、5和表3、4所示。

(1)從圖4可以看出，電路在1700MHz～2000MHz頻率范圍內(nèi)增益大于13dB，其中最大增益點(diǎn)在1800MHz位置，為13．5dB，增益波動(dòng)為0．5-dB，符合性能指標(biāo)要求。

(2)根據(jù)圖5的噪聲系數(shù)曲線，在工作頻段內(nèi)，最大噪聲系數(shù)在2000MHz處，為1．799dB，小于1．8dB的目標(biāo)。

(3)由表3可見，輸入電壓反射系數(shù)VSWRl小于2．0，輸出電壓反射系數(shù)VSWR2在1750MHz以下超過2．5，不大于3．0，符合設(shè)計(jì)要求。

(4)表4顯示，在要求頻段內(nèi)滿足K>1和B>0的要求，說明電路是絕對(duì)穩(wěn)定的。

綜上所述，此電路達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié)束語

從以上結(jié)果可以看出，利用ADS軟件，采用pb模型設(shè)計(jì)的低噪聲寬帶放大電路，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可用于GSM基站前端，比以往的LNA具有更寬的工作帶寬，增益和噪聲系數(shù)不低于其他產(chǎn)品，具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。由于射頻電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和要求的精確性，電路性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)受多種因素制約，需要反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化。