基于HP41511的LNA的設(shè)計

0 引言

隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對各種無線通訊工具的要求也越來越高。功率輻射小、作用距離遠、覆蓋范圍大已成為各運營商乃至無線通訊設(shè)備制造商的普遍追求，而這也同時對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求。

1 微波低噪聲放大器的作用

一般情況下，一個接收系統(tǒng)的接收靈敏度可由以下計算公式來表示：

由上式可見，在各種特定(帶寬BW、解調(diào)S／N已定)的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件則是處于接收機最前端的低噪聲放大器。

圖 1所示是接收機射頻前端的原理框圖。由圖1可見，低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以，低噪聲放大器的設(shè)計對整個接收機來說是至關(guān)重要的。

2 微波低噪聲放大器的主要技術(shù)指標

2.1 噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：

對單級放大器而言，其噪聲系數(shù)的計算為：

其中Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，Γopt、Rn和Γs分別為獲得Fmin時的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。

對多級放大器。其噪聲系數(shù)的計算應為：

其中NFn為第n級放大器的噪聲系數(shù)，Gn為第n級放大器的增益。

對噪聲系數(shù)要求較高的系統(tǒng)，由于噪聲系數(shù)很小，用噪聲系數(shù)表示很不方便，故常用噪聲溫度來表示，噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為：

其中Te為放大器的噪聲溫度，T0=2900K，NF為放大器的噪聲系數(shù)。

2.2 放大器增益

放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率之比：

G=Pout／Pin (7)

通常提高低噪聲放大器的增益對降低整機的噪聲系數(shù)非常有利，但低噪聲放大器的增益過高會影響整個接收機的動態(tài)范圍。所以，一般來說，低噪聲放大器的增益確定應與系統(tǒng)的整機噪聲系數(shù)、接收機動態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。

2.3 反射系數(shù)

由式(3)可知，當Γs=Γopt時，放大器的噪聲系數(shù)最小，NF=NFmin，但此時從功率傳輸?shù)慕嵌葋砜矗斎攵藭?，所以，放大器的功率增益會降低，但有些時候，為了獲得最小噪聲，適當?shù)臓奚恍┰鲆嬉彩堑驮肼暦糯笃髟O(shè)計中經(jīng)常采用的一種辦法。

另外，低噪聲放大器的輸入輸出駐波比、動態(tài)范圍、工作頻率、工作帶寬及帶內(nèi)增益平坦度等指標也很重要，設(shè)計時也需加以考慮。

3 電路仿真設(shè)計

本電路設(shè)計要求的頻率范圍為1.95～2.05GHz，噪聲系數(shù)：為Nf應小于2 dB，帶內(nèi)增益為G大于10 dB，輸入，輸出阻抗為50 Ω。現(xiàn)以上述指標來進行電路晶體管的選擇以及ADS仿真。

3.1 晶體管的選擇

根據(jù)放大器的性能要求，本設(shè)計選用HP 公司的AT-41511作為核心器件來進行設(shè)計。由于在ADS軟件中包含有這種型號晶體管的器件模型，因此，在設(shè)計和仿真過程中可以直接使用，而不必再自己建造器件模型。

3.2 ADS仿真綜合指標的實現(xiàn)

仿真時，可將噪聲系數(shù)、放大器增益、穩(wěn)定系數(shù)全部加入優(yōu)化目標中進行優(yōu)化，并通過對帶內(nèi)放大器增益的限制來滿足增益平坦度指標，最終達到各個指標要求。反復調(diào)整優(yōu)化方法并優(yōu)化目標中的權(quán)重(Weight)，也可以對輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化。但是，對部分電路指標的優(yōu)化也可能導致其它某些指標的惡化，此時可以根據(jù)需要增加一些優(yōu)化變量。

圖2所示是經(jīng)過一次隨機優(yōu)化的S參數(shù)圖。

仿真結(jié)果表明，該電路基本上已經(jīng)達到了比較好的性能，且具有良好的輸入輸出匹配，較高的增益和穩(wěn)定系數(shù)，同時噪聲系數(shù)也比較好。

3.3 封裝模型仿真設(shè)計

進行完sp模型設(shè)計以后，還需要將sp模型替換為封裝模型來做進一步設(shè)計。具體需要進行的工作如下：

(1) 將sp模型替換為封裝模型；

(2)選擇直流工作點并添加偏置電壓；

(3)進行饋電電路的設(shè)計(電阻分壓、扇形線、高阻線等的使用)；

(4)替換為封裝模型后各項參數(shù)可能會有所變化，如不滿足技術(shù)指標，還可以對封裝模型的原理圖再進行仿真優(yōu)化。

設(shè)計封裝模型時?？捎脠D3所示的電路來對器件的I-V特性進行仿真，以選擇其直流工作點。

在設(shè)計偏置電路時，為了防止交流信號對直流電源的影響，可在電源與饋電點之間添加 1／4波長的高阻線以遏制交流信號。如果電路中有終端短路的微帶線，為了避免直流短路，還應在接地端插入隔直電容。

4 結(jié)束語

從仿真設(shè)計的過程可以看到，使用Agilent公司的ADS軟件進行射頻電路設(shè)計、仿真和優(yōu)化是非常方便的。它含有豐富原理圖模型庫、多種仿真分析方式和一系列使用簡便而功能強大的設(shè)計工具。這都可使復雜的射頻電路設(shè)計工作變得簡便快捷，省去了大量人工計算設(shè)計的過程，提高了設(shè)計工作效率。本文給出的微波低噪聲放大器的設(shè)計還是比較成功的，基本達到了指標要求。