增益可調(diào)的高性能低噪聲放大器的設計與實現(xiàn)

    低噪聲放大器（Low-noise Amplifier，簡稱LNA）是處于接收機最前端的關(guān)鍵部件，廣泛應用于移動通信、雷達、電子對抗及遙控遙測系統(tǒng)。它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，提高接收信號靈敏度，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，其噪聲、線性和匹配等性能好壞直接影響到整個接收系統(tǒng)的性能，本文著重對實現(xiàn)增益可調(diào)和提高電路的線性度和穩(wěn)定性、降低噪聲系數(shù)及改善電路的輸入/ 輸出匹配特性的方法進行了分析研究。 
　　目前，低噪聲放大器的設計普遍采用CAD 的方法進行仿真，相對而言，先進設計系統(tǒng)（ADS）功能強大，簡明直觀，應用范圍較廣，本文使用ADS軟件，通過線性或非線性的操作模式對放大器電路進行模擬仿真。

　　接收機前端結(jié)構(gòu)

　　在設計接收機時，應充分考慮它的容錯性，一旦某器件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍能正常工作，一般用冗余設計的方法來保證其高可靠性。

　　如圖1 所示，當LNA 出現(xiàn)故障時，旁路開關(guān)的切換可以使輸入信號不經(jīng)過LNA 而直接輸出，保證系統(tǒng)仍然能正常運行。本設計采用PIN 開關(guān)二極管HSMP-4890 實現(xiàn)旁路控制，在LNA 斷電的情況下，信號旁路，且通過控制模塊告警。再則，L N A 采用平衡結(jié)構(gòu)，這樣，能保證輸入和輸出50 Ω阻抗匹配，并且比單級放大結(jié)構(gòu)的截取點高3 dB，這種冗余結(jié)構(gòu)也增強了系統(tǒng)工作的可靠性，一旦一路壞掉以后，LNA 仍能工作，只不過增益大概減小6 dB?？刂颇K控制旁路開關(guān)通斷，給LNA 提供電源，并且通過控制輸出端衰減達到調(diào)節(jié)增益的目的。



　　LNA 設計的技術(shù)指標：工作頻率825 MHz — 835 MHz；噪聲系數(shù)<1.8 dB；增益2 dB—12 dB，步進1 dB；旁通時插入損耗≤ 2.5 dB；輸出三階交調(diào)截取點OIP3>20 dBm；輸出1 dB 壓縮點P>10 dBm；回波損耗≥ 18 dB；最大工作電流≤ 120 mA。

　　關(guān)鍵器件選擇

　　ATF-54143 是一款高增益、寬動態(tài)范圍、低噪聲的E-PHEMT（增強模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管），只需要一個  
正的電壓偏置，器件體積小，電路集成度高，特別適用于450 MHz — 6 GHz 頻段的通信系統(tǒng)。而且根據(jù)器件性能，在漏電流IDS為60 mA時能得到最高的三階截取點（IP3）和最低噪聲系數(shù)（NF），在漏電壓VDS為3 V 時，有較高的增益。同時選擇Xinger 1D1304-3，它是一款3dB，90度混合耦合器，具有在800 MHz — 1200 MHz 頻帶內(nèi)插入損耗小，高隔離度等優(yōu)點，特別適用于平衡結(jié)構(gòu)的LNA設計。

　　考慮增益可調(diào)這部分，采用5 bit 數(shù)控衰減器HMC273（0.7 GHz — 3.7 GHz，1dB —31 dB 衰減范圍），只要控制低4 bit的輸入高低電平就能達到0 dB— 15 dB 衰減范圍，滿足了增益步進要求。

　　LNA 電路的設計

　　通常，在設計LNA 時主要考慮低噪聲系數(shù)（NF），足夠的增益和絕對穩(wěn)定性，但在實際應用中，高截取點、供電電壓和低電流損耗也需要考慮。

　　直流偏置電路的設計

　　首先，以ATF-54143 的柵極電壓VDS 作為掃描參數(shù)對元件的靜態(tài)工作點（漏極電流IDS 和漏極電壓VDS）進行仿真。圖2 和圖3 分別為仿真圖和電路原理圖。再根據(jù)選定的VDS（3 V），IDS（60 mA），VGS（0.56 V）, 用公式（1）（2）（3）計算各偏置電阻值。





　　式中，IBB=2 mA 是設定流經(jīng)R1 和R2 電阻分壓網(wǎng)絡的電流，Vdd=5 V 是供電電壓，經(jīng)計算得出各偏置電阻值：R1=280 Ω，R2=1220 Ω，網(wǎng)R3=33 Ω。

　　穩(wěn)定電路的設計

　　電路不穩(wěn)定主要由3 個原因產(chǎn)生：晶體管內(nèi)部的反饋回路，由外部電路產(chǎn)生的在晶體管外部的反饋支路，以及通帶外的多余的增益。絕對穩(wěn)定意味著對于任何源端和負載端的阻抗，電路都不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，通?？梢杂蒖ollett穩(wěn)定因子來表示。絕對穩(wěn)定的條件是：



　　改進方法之一是可以在晶體管的源端對地加上一小段微帶線，相當于電感性元件的負反饋，可以改善輸入回波損耗和低頻穩(wěn)定度，提高線性度；同時在放大電路的輸出端可以加上π型阻性衰減器，對改善穩(wěn)定性也很有效。

　　仿真證明，在源端作上述設計后K 值將在帶內(nèi)大于1 。但要注意，在放大管源極添加傳輸線來穩(wěn)定的方法是以犧牲放大器其他性能為代價的，同時過長的傳輸線增加了電路自激的可能性。為了尋求平衡，在實際設計PCB 時，將源端微帶線預留足夠的長度，調(diào)試時可根據(jù)實際情況調(diào)整其接地的長度，再將多余的帶線切斷除去。

匹配網(wǎng)絡的設計

　　輸入匹配網(wǎng)絡一般為獲得最小噪聲而設計，為接近最佳噪聲匹配網(wǎng)絡而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡，而輸出匹配網(wǎng)絡一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設計。由于本設計對LNA 增益的要求不是太高，所以設計匹配網(wǎng)絡時首先考慮噪聲系數(shù)。輸入匹配網(wǎng)絡由元件的最佳噪聲反射系數(shù)Topt為主來決定，以求得噪聲系數(shù)NF 降到最小，根據(jù)S 參量仿真得到的最佳噪聲系數(shù)匹配條件，利用ADS 提供的Smith 圓圖工具可以很方便地進行輸入輸出匹配網(wǎng)絡的設計。


　　可得出輸入高通網(wǎng)絡L1 為12 nH，C1 為5.6 pF，輸出高通匹配網(wǎng)絡L4為15 nH ,C4為3 pF 。

　　ADS 仿真

　　線性仿真

　　線性分析時可以用Touchstone 格式的兩端口S參量對晶體管進行建模，用基于4端口的Touchstone線性S 參數(shù)文件對混合耦合器建模，在此引用ATF-54143 的S2p 文件和1D1304-3 的S4p 文件。為了得到更切合實際的結(jié)果，傳輸線部分也采用ADS 庫中的微帶線模型。在對平衡結(jié)構(gòu)LNA 的Sparams_wNoise仿真時，主要是調(diào)節(jié)微帶線的長度，以得到最佳匹配結(jié)果，本次板材采用介電常數(shù)為2.55 的聚四氟乙烯，介質(zhì)厚0.8 mm，微帶線高18 μm，微帶線寬度用ADS 的LineCalc 工具計算，經(jīng)過反復試驗得出結(jié)果如圖4 所示。



　　非線性仿真

　　諧波平衡（HB）仿真可用于得出1 dB 壓縮點P 和輸出三階截取點（OIP3）等非線性參數(shù)，兩者仿真設置的主要區(qū)別在于信號源的不同，前者信號源是P_1Tone，后者是P_nTone 提供調(diào)諧頻率信號，相應H B 仿真的設置也有不同。

　　仿真得到的P-1 dB為16.5 dBm，OIP3為32.2 dBm，結(jié)果比較理想，見圖5 所示。



　　PCB 制板

　　用DC-DC 轉(zhuǎn)換芯片將外部輸入電壓轉(zhuǎn)換為5 V，給晶體管提供偏置電壓。數(shù)控衰減器HMC273 放置在放大耦合輸出的近端，也需要5 V 電源供電，5管腳16 dB 衰減控制口直接置高電平，1 — 4 管腳連接外部輸入口；遠端放置π型阻性電路，可用于調(diào)節(jié)增益和增加電路穩(wěn)定性。旁路與放大電路在輸出端用PIN 開關(guān)二極管HSMP-4890 連接，起隔離的作用，保證旁路插入損耗小。旁路和耦合器輸入端帶線均為1/4 波長，以保證相位匹配，使回波損耗最小。

 

　　繪制P C B 電路板時還須注意以下幾個方面：

　?。?）根據(jù)信號頻率，板材參數(shù)計算微帶線寬度，為了彌補實際和仿真的差別，一般不將阻抗值嚴格地設為50 Ω計算，而是偏高1 Ω— 2 Ω，調(diào)試中通過改變接地電容的量值和位置就可以得到較寬的電路參數(shù)調(diào)整范圍。

　?。?）預留出可調(diào)的電容位置，關(guān)鍵是放大器輸入輸出端。

　　（3）為了避免干擾，射頻微帶線之間以及普通信號線（控制HMC273 ）均避免鄰接，中間必須用地隔開。

　?。?）在射頻信號經(jīng)過的帶線范圍內(nèi)，底層電源線也盡量避免經(jīng)過，可選擇耦合器中部穿過，以免改變阻抗，影響性能。

　　結(jié)束語

　　本文設計的平衡結(jié)構(gòu)LNA 和利用開關(guān)二極管控制旁路提高了工作可靠性，并且用簡單靈活的方法實現(xiàn)了增益可調(diào)。測試結(jié)果表明，實際測得的LNA 技術(shù)指標能夠與仿真結(jié)果較好地吻合，E -pHEMT 管的低噪聲系數(shù)和高OIP3 使它在高動態(tài)范圍電路設計上具有很大的優(yōu)勢。