增益可調的高性能低噪聲放大器的設計與實(shí)現

    低噪聲放大器（Low-noise Amplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)LNA）是處于接收機最前端的關(guān)鍵部件，廣泛應用于移動(dòng)通信、雷達、電子對抗及遙控遙測系統。它的主要作用是放大天線(xiàn)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，以供系統解調出所需的信息數據，其噪聲、線(xiàn)性和匹配等性能好壞直接影響到整個(gè)接收系統的性能，本文著(zhù)重對實(shí)現增益可調和提高電路的線(xiàn)性度和穩定性、降低噪聲系數及改善電路的輸入/ 輸出匹配特性的方法進(jìn)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(jìn)行仿真，相對而言，先進(jìn)設計系統（ADS）功能強大，簡(jiǎn)明直觀(guān)，應用范圍較廣，本文使用ADS軟件，通過(guò)線(xiàn)性或非線(xiàn)性的操作模式對放大器電路進(jìn)行模擬仿真。

　　接收機前端結構

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

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



　　LNA 設計的技術(shù)指標：工作頻率825 MHz — 835 MHz；噪聲系數<1.8 dB；增益2 dB—12 dB，步進(jìn)1 dB；旁通時(shí)插入損耗≤ 2.5 dB；輸出三階交調截取點(diǎn)OIP3>20 dBm；輸出1 dB 壓縮點(diǎn)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(dòng)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(gè)  
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。而且根據器件性能，在漏電流IDS為60 mA時(shí)能得到最高的三階截取點(diǎn)（IP3）和最低噪聲系數（NF），在漏電壓VDS為3 V 時(shí)，有較高的增益。同時(shí)選擇Xinger 1D1304-3，它是一款3dB，90度混合耦合器，具有在800 MHz — 1200 MHz 頻帶內插入損耗小，高隔離度等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于平衡結構的LNA設計。

　　考慮增益可調這部分，采用5 bit 數控衰減器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(mǎn)足了增益步進(jìn)要求。

　　LNA 電路的設計

　　通常，在設計LNA 時(shí)主要考慮低噪聲系數（NF），足夠的增益和絕對穩定性，但在實(shí)際應用中，高截取點(diǎn)、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 作為掃描參數對元件的靜態(tài)工作點(diǎn)（漏極電流IDS 和漏極電壓VDS）進(jìn)行仿真。圖2 和圖3 分別為仿真圖和電路原理圖。再根據選定的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(luò )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。

　　穩定電路的設計

　　電路不穩定主要由3 個(gè)原因產(chǎn)生：晶體管內部的反饋回路，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。絕對穩定意味著(zhù)對于任何源端和負載端的阻抗，電路都不會(huì )出現不穩定的情況，通?？梢杂蒖ollett穩定因子來(lái)表示。絕對穩定的條件是：



　　改進(jìn)方法之一是可以在晶體管的源端對地加上一小段微帶線(xiàn)，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定度，提高線(xiàn)性度；同時(shí)在放大電路的輸出端可以加上π型阻性衰減器，對改善穩定性也很有效。

　　仿真證明，在源端作上述設計后K 值將在帶內大于1 。但要注意，在放大管源極添加傳輸線(xiàn)來(lái)穩定的方法是以犧牲放大器其他性能為代價(jià)的，同時(shí)過(guò)長(cháng)的傳輸線(xiàn)增加了電路自激的可能性。為了尋求平衡，在實(shí)際設計PCB 時(shí)，將源端微帶線(xiàn)預留足夠的長(cháng)度，調試時(shí)可根據實(shí)際情況調整其接地的長(cháng)度，再將多余的帶線(xiàn)切斷除去。

匹配網(wǎng)絡(luò )的設計

　　輸入匹配網(wǎng)絡(luò )一般為獲得最小噪聲而設計，為接近最佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò )而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡(luò )，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò )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(luò )時(shí)首先考慮噪聲系數。輸入匹配網(wǎng)絡(luò )由元件的最佳噪聲反射系數Topt為主來(lái)決定，以求得噪聲系數NF 降到最小，根據S 參量仿真得到的最佳噪聲系數匹配條件，利用ADS 提供的Smith 圓圖工具可以很方便地進(jìn)行輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò )的設計。


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

　　ADS 仿真

　　線(xiàn)性仿真

　　線(xiàn)性分析時(shí)可以用Touchstone 格式的兩端口S參量對晶體管進(jìn)行建模，用基于4端口的Touchstone線(xiàn)性S 參數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(shí)際的結果，傳輸線(xiàn)部分也采用ADS 庫中的微帶線(xiàn)模型。在對平衡結構LNA 的Sparams_wNoise仿真時(shí)，主要是調節微帶線(xiàn)的長(cháng)度，以得到最佳匹配結果，本次板材采用介電常數為2.55 的聚四氟乙烯，介質(zhì)厚0.8 mm，微帶線(xiàn)高18 μm，微帶線(xiàn)寬度用ADS 的LineCalc 工具計算，經(jīng)過(guò)反復試驗得出結果如圖4 所示。



　　非線(xiàn)性仿真

　　諧波平衡（HB）仿真可用于得出1 dB 壓縮點(diǎn)P 和輸出三階截取點(diǎn)（OIP3）等非線(xiàn)性參數，兩者仿真設置的主要區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，結果比較理想，見(jiàn)圖5 所示。



　　PCB 制板

　　用DC-DC 轉換芯片將外部輸入電壓轉換為5 V，給晶體管提供偏置電壓。數控衰減器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，可用于調節增益和增加電路穩定性。旁路與放大電路在輸出端用PIN 開(kāi)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(xiàn)均為1/4 波長(cháng)，以保證相位匹配，使回波損耗最小。

 

　　繪制P C B 電路板時(shí)還須注意以下幾個(gè)方面：

　?。?）根據信號頻率，板材參數計算微帶線(xiàn)寬度，為了彌補實(shí)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，調試中通過(guò)改變接地電容的量值和位置就可以得到較寬的電路參數調整范圍。

　?。?）預留出可調的電容位置，關(guān)鍵是放大器輸入輸出端。

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

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

　　結束語(yǔ)

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