L波段低噪聲放大器的分析與設(shè)計(jì)

李沛，吳曉光

(武漢科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

L波段低噪聲放大器的分析與設(shè)計(jì)

李沛，吳曉光*

(武漢科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

利用Advanced Design System (ADS)完成了L波段低噪聲放大器(LNA)的設(shè)計(jì)。分析了實(shí)際電路可能產(chǎn)生的非連續(xù)性、寄生參數(shù)效應(yīng)等因素對(duì)電路各個(gè)性能指標(biāo)的影響,并針對(duì)這些因素利用ADS進(jìn)行了電磁仿真計(jì)算,最后給出了放大器的仿真結(jié)果和最終電路及測(cè)試結(jié)果。采用ATF-35143器件設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)，工作頻率1.21GHz，增益G大于14dB，噪聲系數(shù)N F小于0.5 dB，輸入1dB壓縮點(diǎn)大于5dbm。

射頻微波集成電路；低噪聲放大器；ADS；噪聲系數(shù)；阻抗匹配

近年來，無線通信、衛(wèi)星通信、全球定位系統(tǒng)、雷達(dá)及無線接入系統(tǒng)迅速發(fā)展?，F(xiàn)代通訊要求通信距離越來越遠(yuǎn)、接受的靈敏度越來越高[1]。新型半導(dǎo)體器件的研制 ,使高速數(shù)字系統(tǒng)和高頻模擬系統(tǒng)不斷擴(kuò)展 ,射頻和微波頻率應(yīng)用越來越廣泛。L波段的頻率范圍為1-2GHz ,處于微波頻率的低端。低噪聲放大器(LNA) 作為接收系統(tǒng)的前端對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)起著關(guān)鍵作用,因此設(shè)計(jì)性能良好的 LNA就有著重要的意義[2]。

1 設(shè)計(jì)的基本思路

放大電路采用ATF-35143管子進(jìn)行設(shè)計(jì),偏置在VDS=2V,ID=15 mA的條件下，當(dāng)頻率為1.20GHz時(shí),參照管子特性可知 ,ATF-35143在這個(gè)頻段的噪聲系數(shù)為0.3dB。此外，由于ATF-35143有非常低的噪聲阻抗,這會(huì)減小由于改變輸入端阻抗匹配對(duì)噪聲性能敏感度的影響。放大器的設(shè)計(jì)思路有多種,主要有按放大器的增益、噪聲系數(shù)、駐波比等來設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)LNA 需考慮到穩(wěn)定性的問題 ,穩(wěn)定性分為無條件穩(wěn)定和有條件穩(wěn)定。而兩種狀態(tài)的區(qū)別是通過在反射系數(shù)圓上觀察穩(wěn)定性判定圓來區(qū)別穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)的。增益的平坦度是靠良好的匹配來實(shí)現(xiàn)的。這些指標(biāo)要求在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候按系統(tǒng)的需要折衷考慮噪聲系數(shù)、增益、增益平坦度、輸入輸出駐波比、以及輸出功率,這樣整個(gè)LNA電路的基本設(shè)計(jì)思路就完成了[3]。

1.1 直流偏置的設(shè)計(jì)

直流偏置的設(shè)計(jì)是影響低噪聲性能的一個(gè)主要因素,最后設(shè)計(jì)的性能不良往往歸結(jié)于直流偏置設(shè)計(jì)不當(dāng)。HEMT的偏置有多種方式,比較常用的一種是:漏極加正電壓, 柵極加負(fù)電壓以控制漏極電流,源極對(duì)直流是直接接地[4]。這種偏置方法的優(yōu)點(diǎn)是: 因?yàn)樵礃O沒有偏置電路,所以引入的源極反饋較小,對(duì)高頻而言比較容易穩(wěn)定。但是這種偏置方法也有缺點(diǎn),偏置電路相當(dāng)于并聯(lián)在LNA中的傳輸線上,對(duì)LNA的性能會(huì)有影響。首先LNA接不同電源或電源受到干擾會(huì)影響偏置電路等效的并聯(lián)阻抗,從而改變LNA的匹配;其次對(duì)于第一級(jí)放大網(wǎng)絡(luò)的柵極而言,偏置電路中有耗元件產(chǎn)生的噪聲會(huì)直接加到LNA的輸入端[5],這會(huì)顯著提高LNA的噪聲。因此偏置電路對(duì)LNA應(yīng)妥善隔離, 即其等效的并聯(lián)阻抗要盡量大,這里可以采用扼流網(wǎng)絡(luò)。扼流網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是在靠近射頻部分提供去耦、靠近電源部分提供低頻阻抗的結(jié)構(gòu),通常由一條1/4波長(zhǎng)傳輸線和一個(gè)分布的扇形電容構(gòu)成[6-8]。如果扼流網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)通路提供射頻開路,電路性能就沒有變化;如果噪聲系數(shù)改變,說明網(wǎng)絡(luò)沒起到合適的旁路作用,可以通過改變傳輸線的長(zhǎng)度或電容的面積來改善性能。扼流網(wǎng)絡(luò)的恰當(dāng)設(shè)計(jì)可以使N F降低0.5dB左右。

1.2 源級(jí)反饋電路的設(shè)計(jì)

放大網(wǎng)絡(luò)包括晶體管及其他電路,一般放大網(wǎng)絡(luò)為共源極結(jié)構(gòu),柵極為輸入端,漏極為輸出端,而在公共端源極可適當(dāng)?shù)丶尤敕答侂娐?。?shí)際上,放大網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要是源極反饋電路的調(diào)整,其目的是提高全頻帶的穩(wěn)定性,另外對(duì)于第一級(jí)放大網(wǎng)絡(luò), 源極反饋有利于同時(shí)實(shí)現(xiàn)噪聲匹配和輸入端功率匹配。適當(dāng)?shù)脑礃O負(fù)反饋對(duì)放大網(wǎng)絡(luò)噪聲的影響很小,但改變了放大管的輸入阻抗,因此調(diào)整源極反饋可以改變S11,使之靠近opt,同時(shí)實(shí)現(xiàn)噪聲匹配和輸入端功率匹配。但是帶內(nèi)的負(fù)反饋在帶外可能形成正反饋,從而影響放大網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,因此必須在確保穩(wěn)定工作的前提下適當(dāng)?shù)剡x取源極反饋[9-11]。

實(shí)際設(shè)計(jì)源級(jí)負(fù)反饋的時(shí)候往往由于電感值太小而不能用集成元件實(shí)現(xiàn)，通常使用終端短路微帶線來設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)使用80Ω終端短路微帶線實(shí)現(xiàn)，微帶線的長(zhǎng)度和寬度分別為1.17mm和4.5mm。

2 LNA設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果分析

圖1為利用ADS設(shè)計(jì)的LNA部分電路圖，輸入輸出端采用CPWG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9]，為考慮實(shí)際情況，電路中的連接線均采用微帶線實(shí)現(xiàn)。

圖1 LNA電路圖

圖2為從ADS 原理圖直接導(dǎo)入到layout中生成的LNA版圖，為了模擬實(shí)際電路中的寄生效應(yīng)及微帶線之間的耦合效應(yīng)，利用ADS momtem對(duì)微帶線進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以便減小實(shí)際制作中耦合效應(yīng)的影響。

圖2 LNA版圖

為了對(duì)器件與微帶線的實(shí)際效應(yīng)進(jìn)行模擬，使用ADS的原理圖與版圖聯(lián)合仿真，對(duì)微帶線的關(guān)鍵部分使用電磁場(chǎng)仿真后進(jìn)行打包處理，然后代入到原理圖中進(jìn)行仿真，若仿真結(jié)果達(dá)不到要求，需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖3為聯(lián)合仿真圖形[12-15]。

圖3 LNA聯(lián)合仿真

仿真優(yōu)化結(jié)果如下：

3 LNA實(shí)物圖與測(cè)試結(jié)果

圖4為L(zhǎng)NA實(shí)物圖，當(dāng)測(cè)試結(jié)果不滿足指標(biāo)要求時(shí)，必須對(duì)LNA的關(guān)鍵電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如源級(jí)微帶線的長(zhǎng)度及輸入輸出端匹配電路電感電容值的大小，直到測(cè)試結(jié)果達(dá)到要求為止。

圖4 LNA實(shí)物圖

圖5為采用Agilent E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)S參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果，結(jié)果顯示在中心頻率為1.21G的時(shí)候，S11小于-17dB, S22小于-20 dB, S21為14.6dB，S12小于-19dB。

測(cè)試結(jié)果：

圖5 LNA S參數(shù)測(cè)試結(jié)果

1dB壓縮點(diǎn)采用Agilent E4440A頻譜儀手動(dòng)測(cè)試，按照步長(zhǎng)1dB逐漸增大輸入信號(hào)功率來觀察輸出功率的變化，當(dāng)輸出功率小于理想輸出功率1dB時(shí)即為輸入1dB壓縮點(diǎn)，經(jīng)測(cè)試，該LNA的輸入1dB壓縮點(diǎn)為6dbm。

表1列出了LNA的主要性能指標(biāo)，其中Noise為仿真結(jié)果，其余為測(cè)試結(jié)果[15]。

表1 LNA的主要性能指標(biāo)

4 結(jié)論

利用ADS成功設(shè)計(jì)了基于ATF-35143的L波段工作的低噪聲放大器，中心頻率在1.21GHz，測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的LNA具有良好的性能指標(biāo)，也說明了利用ADS進(jìn)行射頻微波電路的設(shè)計(jì)是充分可行的。

[1] 傅君眉.微波無源和有源電路原理[M].西安:西安交通大學(xué)出版社, 1988.

[2] Jeremy Everard. Fundamentals of RF Circuit Design[M].2001:101-103.

[3] Randall W.Rhea. HF Filter Design and Computer Simulation[M]. 1990.

[4] Rohde UL, Newkirk D P. RF/Microwave Circuit Design for Wireless Application [M]. 2000.

[5] Guillermo Gonzalez, PhD. Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design[M]. 1997.

[6] AWR公司. Microwave Office軟件內(nèi)的Help文件.

[7] 王子宇,張肇儀，譯.射頻電路設(shè)計(jì)-理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2004: 153-156.

[8] Kim B, Nam I, Lee K. A comparative study on various monolithic low noise amplifier circuit topologies for RF and microwave applications[J]. IEEE J Solid State Circuits, 1996,31(8): 1220-1225.

[9] Kim B, Ko J, Lee K. A new linearization technique for MOSFET RF amplifier using multiple gated transistors [J]. IEEE Microwave Guided Wave Letter, 2000, 10(9): 371-373.

[10] Jin Li, Zhiqun Cheng, Kaihong Fu, et al. Design and Linearity Analysis of Current Bleeding CMOS Mixer for GPS Application [C]. 2008 11th IEEE International Conerence on Communication Technology Proceeding (ICCT), 2008: 339-342.

[11] 雷振亞.射頻電路及理論[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2005.

[12] 王子宇.射頻電路設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2002.

[13] 范博.射頻電路與實(shí)用電路設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[14] 黃智偉.射頻功率放大器電路設(shè)計(jì)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2009.

[15] 孫海,譯.射頻和微波混合電路 [M].北京:電子工業(yè)出版社, 2006.

[16] 劉志華.射頻和無線技術(shù)入門[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2005.

Design and Analysis of L-Band Low Noise Amplifier

LI Pei，WU Xiao-guang

(College of Mechanical and Electrical Engineering , Wuhan University of Science and Engineering, Wuhan 430073, China)

An L band low noise amplifier (LNA) is designed in this paper by means of Advanced Design System (ADS). The paper also elaborates on such factors as the possible discontinuity and parasitic parameter effect in actual circuit as well as their impacts on each performance index of the circuit. In consequence, the simulation results of LNA and the measured results of the final circuits are given by electromagnetic simultation calculation of ADS in connection with such factors. By adopting the ATF-35143 device in the design, technical index meet the expected specifications with the work frequency of 1.21GHz, conversion gain over 14dB, noise factor (NF) below 0.5dB, compression point over 5dbm with the input of 1dB.

RF microwave integrated circuits; low noise amplifier (LNA); ADS; noise factor; impedance matching

TN722

A

1009－5160(2010)01－0044－04

*通訊作者：吳曉光（1954-），男，教授，研究方向：數(shù)控系統(tǒng)及仿真、數(shù)字化紡織裝備及關(guān)鍵技術(shù)研究.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50775166）.