UHF寬帶低噪聲放大器設計

1 引言

低噪聲放大器（low-noise amplifier，簡稱LNA）是射頻接收機前端的主要部件。它的增益、噪聲、線性度等直接影響整個電路系統的性能。UHF頻段從300～3000MHz，是當前無線通信應用比較集中的一個頻段，如WLAN、GPS、GSM等等，所以該頻段對射頻模塊電路的需求量大。本文利用EM/circuit 協同仿真設計了一款覆蓋整個UHF頻段的寬帶低噪聲放大器，給出了具體實例。

2 LNA設計思路

主要設計指標：頻率500～3000MHz，增益≥14dB，平坦度±0.5dB，輸入輸出回波損耗>10dB，NF≤1.4dB，輸出P-1≥14dBm，工作電壓3.3v，電流100mA。微波放大器根據功能可以分為低噪聲放大器（LNA）, 功率放大器（PA）和驅動放大器（Driver Amplifier）。對于低噪聲放大器的設計,器件選擇十分重要，以噪聲系數為評價指標對器件排序如下：HEMT>JFET,MESFET>HBT>BJT>CMOS我們綜合成本和性能的要求，選擇Agilent的ATF-54143，它是HEMT，噪聲系數很低，而且在3GHz時，MAG還有19.77dB (Vds=3V，Ids=20mA)。

首先考慮放大器的穩定性，一般放大器不是全頻帶穩定的，將一個放大器簡化為一個二端口網絡，則無條件穩定條件可表示為:

(1)

(2)

(3)

從而可以得到輸入和輸出的穩定性判定因子及穩定系數分別為

(4)

(5)

(6)

(其中：Δ=S₁₁S₂₂ - S₂₁S₁₂)它們分別是源和負載端的穩定性判定因子，只要它們之中有一個大于1，另外一個也必然大于1，而且K也會大于1，此時放大器無條件穩定。對于LNA，電阻的出現會提高放大器的穩定性，降低放大器的增益，增加放大器的噪聲，所以最好把穩定放大器的電阻放到輸出端去，同時由于放大器一般是在某些頻段不穩定的，這時可以對電阻元件引入并聯或串聯電容，使得電阻對某些特定頻率進行較大衰減，這樣將對不穩定頻段的穩定性有所改善，同時盡可能少的影響其它頻段的穩定系數K，這是因為

(7)

如果K值過大，放大器的增益下降會很厲害，一般K取1.1左右比較好。寬帶阻抗匹配是一個困難的問題。因為復阻抗通常隨頻率變化， Bode和Fano等人指出，當存在電抗元件時，在寬帶匹配方面有一個實際極限，如式(8)所示：

(8)

雖然有多種實現寬帶放大器的技術，但是常用的主要有以下兩種：平衡式放大器、反饋式放大器?；诔杀竞腕w積的考慮, 我們采用負反饋進行寬帶放大器的設計。如圖1所示的負反饋電路, 電阻元件R₁ 和R₂的優化初值選擇依照下面公式：

(9)

(10)

圖1 電阻負反饋電路

對于LNA，對于單級放大器而言，其噪聲系數的計算為

(11)

其中F_min為晶體管的最小噪聲系數，它由放大器晶體管本身決定，Γ_opt、Γ_s和R_n分別為獲得最佳反射系數、晶體管輸入端源反射系數以及晶體管的等噪聲電阻。所以輸入匹配電路主要讓噪聲系數最小，但為了保證增益、駐波和帶寬的指標，輸入輸出匹配電路需要在Γ_opt、S₁₁、S₂₂和Gain之間取舍。采用諧振單元加傳輸線的結構來實現寬帶LNA的設計,如圖2所示。研究諧振單元加傳輸線的匹配特性，結果如圖3所示。一般的匹配網絡，如L型或者型電路等，它們的帶寬是有限的，如果要達到寬帶，需要混合使用，而其在Smith圓圖上，經過每一個元件匹配后的Q值都不能變大，顯然當各個點處的Q值相等時匹配結果最優，因為從(8)式可以看出，若有任意一點的Q值變大，整個帶寬就會變小。下面給出一個采用諧振單元的例子如圖2所示。從圖3的仿真結果可以看到，由于諧振單元的電抗特性，在較寬的頻帶內可以達到較好的匹配效果。

圖2 諧振單元加傳輸線的匹配電路

圖3 匹配結果

3 LNA仿真、優化

在實際制作放大器時，必須考慮場效應管源極接地的影響。在頻率較低時，其影響可以忽略不計，但在微波頻段，接地情況直接惡化實際的性能。為考慮接地對信號傳輸的影響，采用ADS自帶的momentum軟件仿真實際封裝下源極接地的影響，實際接地及其等效電路如圖4。

圖4 實際源極接地及其等效電路

利用上面的方法設計放大器電路圖結構如圖5所示:

圖5 LNA原理圖

優化電路使其滿足設計指標，選擇實際可以購買到的標稱元件值，代入實際電容、電感的S參數模型，再次對微帶線進行優化，當然此時也可以對元件值進行優化，有的廠商提供的數據是可以優化的。接下來進行EM/Circuit Co-Simulation，在ADS的layout中建立微帶線、連接線、接頭的模型，通過矩量法計算這些模型并封裝成元件，并把它們代入原理電路中進行計算，再次微調元器件的值和微帶線的尺寸，此時接頭、連接線是不能變化的。最后得到仿真結果如下表

表1 LNA仿真結果

4 測試結果

我們搭建的測試系統和LNA電路如圖6所示，整個電路尺寸為53mm×26mm。測試結果如圖7和圖8所示，該低噪放在0.5~3GHz UHF頻段內噪聲系數小于1.48，增益大于14.5dB，帶內平坦度為0.5dB左右，輸入輸出回波損耗都大于10dB。由實測結果可以看出本文設計的寬帶LNA基本達到技術指標要求。

圖6 (a)測試系統; (b)實際LNA電路

圖7 S₁₁和S₂₂的測試結果

圖8 Gain和Noise Figure的測試結果

5 結論

本文利用EM/Circuit Co-Simulation設計了一款UHF寬帶低噪聲放大器。在原理電路的設計中采用電阻并聯或串聯電容的結構平衡增益和穩定性之間的矛盾，采用負反饋技術實現寬帶效應，利用諧振單元加傳輸線來平衡噪聲和增益之間的矛盾，采用實際封裝接地的全波仿真保證了設計結果和仿真結果的吻合。本文詳細分析并給出UHF波段寬帶低噪聲放大器的設計實例，對工程應用具有一定的參考價值。