WCDMA分布式基站低噪聲放大器電路設計

引 言
LNA用于接收機前端電路，主要用來放大從天線接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，其噪聲指標直接影響接收機的靈敏度，而靈敏度是通信接收機的關鍵指標之一，所以LNA電路設計的優略對于接收機性能至關重要，且在商業應用中，數字通信技術的發展對無線基站用LNA電路提出了更為苛刻的要求。

1 LNA電路的基本理論
LNA電路的主要技術指標有噪聲系數(FN)、增益、工作頻帶、輸入／輸出駐波比和增益平坦度等，其中FN和增益對接收機性能的影響較大。
設計LNA電路時，在保證電路絕對穩定，避免產生自激振蕩的情況下，盡量降低放大器的FN。對于絕對穩定的晶體管，可以按照最佳噪聲匹配得到最低的FN；對于條件穩定的晶體管，要優先考慮穩定性因素。完成匹配后的放大器，要對穩定因子進行測試，在全頻段內，要求穩定性因子μ>1。
為保證低噪聲性能，通過電抗濾波器提供偏置電壓或電流，而不用電阻偏置電路，以避免將電源噪聲和偏置電阻的熱噪聲引入到射頻通道。
另外，良好的阻抗匹配設計能夠提高電路傳輸能量，提高系統增益，改善駐波特性，增強系統穩定性，降低噪聲等，在設計LNA電路時，應根據不同的性能需求選擇不同的匹配方式。

2 LNA電路的設計
2．1 器件的選擇和級數的確定
設計LNA電路，首先要選擇FN小的放大管。從目前的種類和應用來看，Si和SiGe類低噪聲晶體管的FN要高一些，好的可做到0．7 dB左右，FN稍高的為砷化鎵材料器件，FN最低的為增強型PHEMT(E-PHEMT)器件。本設計選用Agilent的ATF-54143，該放大管為E-PHEMT器件，此類器件具有較優的射頻特性。
本文的LNA電路要求實現增益(30±1)dB，FN1 dB，輸入／輸出的駐波小于1．5，OIP3>30 dBm，采用兩級LNA電路級聯構成。為了保證LNA電路端口駐波、放大器的穩定性和足夠大的增益，前級電路采用平衡式結構，后級電路主要考慮端口駐波、線性和穩定性。LNA電路結構框圖如圖1所示，射頻信號從耦合器1腳輸入，功率平均分配到2腳和3腳，但是3腳的射頻信號相位比2腳相位滯后90 °。如果上下兩路LNA性能以及單板布局完全相同，那么兩路LNA的反射系數也完全相同，且下支路的輸入反射波相位仍然比上支路的輸入反射波相位滯后 90°，即假設上支路的反射波相位為0°，則下支路反射波的相位為-90°。兩路反射波經過3 dB耦合器到達1腳，上支路的反射波相位為θ°(假設1腳輸入口和2腳耦合口之間的相移為θ°)，下支路的反射波到達1腳后，相位變成θ-90°-90° =θ-180°，因此兩路反射波在1腳完全抵消，從而保證Input輸入駐波非常小。

同理可以分析輸出端耦合器1腳輸出駐波性能非常好，且輸入／輸出的反射波都消耗在兩個50 Ω電阻上。采用平衡式LNA的最大好處是可以保證LNA單管在最佳噪聲匹配的前提下獲得非常優良的駐波性能。
2．2 器件的穩定性
S參數仿真表明，ATF-54143在低頻和高頻下都容易自激，本設計采用在輸入口和輸出口分別加電容(或電感)和電阻串聯到地的方式，形成低頻端吸收式負載和高頻端吸收式負載。穩定性改善后的μ穩定性因子如圖2所示。