ISM頻段射頻放大的小信號(hào)分析*

(西安郵電學(xué)院 電子與信息工程系，西安 710121)

1 引 言

在無(wú)線通信領(lǐng)域，由于ISM頻段全球無(wú)需許可證，現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)RFID、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、藍(lán)牙(Bluetooth)和紫蜂(ZigBee)等均工作在2.4 GHz的ISM頻段。隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，ISM頻段射頻前端技術(shù)已經(jīng)成為通信和電子領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。小信號(hào)放大作為射頻電路的核心內(nèi)容，是值得深入研究的課題。小信號(hào)放大在無(wú)線接收系統(tǒng)中處于射頻前端，主要作用是在低噪聲前提下放大接收到的微弱信號(hào)，射頻放大的小信號(hào)分析對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)至關(guān)重要。但是，目前對(duì)小信號(hào)放大的研究主要集中在給定指標(biāo)下射頻電路的設(shè)計(jì)[3-4]，缺乏對(duì)各項(xiàng)參數(shù)變化規(guī)律的研究。本文在失配受限的前提下分析了增益、穩(wěn)定性和噪聲系數(shù)的變化規(guī)律，給出了提高小信號(hào)放大綜合性能的方法，這對(duì)射頻小信號(hào)放大是非常實(shí)際的問(wèn)題。

本文首先分析了射頻小信號(hào)放大的設(shè)計(jì)理論，然后對(duì)小信號(hào)放大的參數(shù)進(jìn)行分析，給出了單項(xiàng)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)的條件，提出了各項(xiàng)參數(shù)的變化規(guī)律，給出了仿真曲線和仿真結(jié)果分析，為改善小信號(hào)放大器的綜合性能提出了一種新的途徑。

2 射頻小信號(hào)放大器

射頻小信號(hào)放大器的一般框圖如圖1所示，在射頻源與晶體管之間有輸入匹配網(wǎng)絡(luò)(IMN)，在晶體管與負(fù)載之間有輸出匹配網(wǎng)絡(luò)(OMN)，放大器根據(jù)技術(shù)指標(biāo)確定匹配網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)和電參數(shù)，匹配網(wǎng)絡(luò)可以由分布參數(shù)、混合參數(shù)或集總參數(shù)元件構(gòu)成[5-6]。

圖1 射頻前端小信號(hào)放大器的框圖

射頻小信號(hào)放大器需要考慮穩(wěn)定性，穩(wěn)定性是指放大器抑制環(huán)境的變化(如信號(hào)頻率、溫度、源和負(fù)載等變化時(shí))。維持正常工作特性的能力，可以用圖解法或解析法判定放大器的穩(wěn)定性，解析法是計(jì)算穩(wěn)定性因子。

射頻放大器的轉(zhuǎn)換功率增益為

GT=GSG0GL

(1)

對(duì)小信號(hào)放大器來(lái)說(shuō)，噪聲的存在對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)有重要影響，在低噪聲的前提下對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大是對(duì)放大器的基本要求。

信源與晶體管之間及晶體管與負(fù)載之間的失配程度用輸入和輸出電壓駐波比來(lái)描述，很多情況下放大器的駐波比必須保持在特定指標(biāo)之下。放大器的輸入和輸出電壓駐波比為

(2)

式中，M為源或負(fù)載的失配因子。

3 參數(shù)分析方法

本文在復(fù)平面上利用圓圖對(duì)小信號(hào)放大器的參數(shù)進(jìn)行分析，指出增益、駐波比和噪聲多個(gè)性能參數(shù)不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，給出了單項(xiàng)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)的條件，提出了提高小信號(hào)放大器綜合性能的方法。

3.1 單項(xiàng)參數(shù)的分析

噪聲系數(shù)僅與輸入匹配網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。噪聲系數(shù)可以表示為

(3)

當(dāng)源的反射系數(shù)ΓS=Γopt時(shí)，F(xiàn)=Fmin，噪聲系數(shù)最小。

駐波比與輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)均有關(guān)，是源失配因子和負(fù)載源失配因子的函數(shù)。放大器輸入和輸出反射系數(shù)與源和負(fù)載失配因子的關(guān)系為

(4)

(5)

3.2 多個(gè)參數(shù)的綜合分析

采用圓圖圖解的方法設(shè)計(jì)放大器，步驟如下：

(1)在復(fù)平面畫出等增益曲線。當(dāng)晶體管單向時(shí)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的等效增益和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的等效增益無(wú)關(guān)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的等增益曲線為

(6)

輸入等增益曲線為圓，增益值越大圓半徑越小，最大增益時(shí)等增益圓半徑為零。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的等增益曲線同樣也是一個(gè)圓。分配輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的有效增益，然后在史密斯圓圖上給出等增益曲線，在等增益曲線上選反射系數(shù)，進(jìn)而確定在復(fù)平面上的位置；

(2)噪聲系數(shù)僅與輸入匹配網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，在復(fù)平面等噪聲曲線的方程為

(7)

等噪聲系數(shù)曲線為圓，噪聲系數(shù)越大圓的半徑越大，噪聲系數(shù)最小時(shí)在史密斯圓圖上縮為一個(gè)點(diǎn)。在等噪聲系數(shù)曲線內(nèi)選源反射系數(shù)，并注意選點(diǎn)落在等增益曲線上；

(3)計(jì)算穩(wěn)定性因子；

(4)計(jì)算輸入與輸出駐波比；

(5)若輸入與輸出駐波比以及穩(wěn)定性因子不滿足指標(biāo)要求，重復(fù)步驟2、3和4以滿足指標(biāo)要求；

(6)當(dāng)復(fù)平面上反射系數(shù)的位置確定后，確定電路結(jié)構(gòu)。

4 仿真結(jié)果

4.1 晶體管的參數(shù)

晶體管采用hp-AT32011，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)，首先需要對(duì)晶體管的參數(shù)進(jìn)行仿真，晶體管AT32011的S參數(shù)仿真曲線如圖2所示，仿真曲線的頻率范圍為100 MHz～5.1 GHz。在2.4 GHz時(shí)，晶體管的S11=0.480∠176°，表明輸入端匹配很差；dB(S12)=-18.862，表明單向性較好；dB(S21)=6.769，這是晶體管的增益，放大器的增益還需計(jì)入輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的等效增益；S22=0.540∠-57°，表明輸出端匹配較差。對(duì)噪聲系數(shù)仿真，在2.4 GHz晶體管的噪聲系數(shù)為2.047。

4.2 放大電路的構(gòu)成

采用單支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，微帶線基板的厚度為0.8 mm，基板的相對(duì)介電常數(shù)為4.3，基板的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，基板的損耗角正切為0.001，微帶線導(dǎo)體層的厚度為0.03 mm，導(dǎo)體的電導(dǎo)率為5.88E+7，微帶線表面粗糙度為0 mm。同時(shí)添加輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，放大電路如圖3所示。

4.3 仿真結(jié)果

在本文的仿真中，放大器的中心頻率為2.43 GHz，帶寬為6 MHz，系統(tǒng)的特性阻抗為50 Ω。在3種狀態(tài)下進(jìn)行仿真，這3種狀態(tài)放大器的失配不同，在中心頻率處，第一種狀態(tài)的輸入駐波比選為1.941，第二種狀態(tài)的輸入駐波比選為1.570，第三種狀態(tài)的輸入駐波比選為1.376。放大器增益仿真曲線如圖4所示，標(biāo)記m1、m2和m3所在的增益曲線分別對(duì)應(yīng)第一種、第二種和第三種失配狀態(tài)。放大器噪聲系數(shù)仿真曲線如圖5所示，標(biāo)記m4、m5和m6所在的噪聲系數(shù)曲線分別對(duì)應(yīng)第一種、第二種和第三種失配狀態(tài)。放大器穩(wěn)定性因子仿真曲線如圖6所示，標(biāo)記m7、m8和m9所在的穩(wěn)定性因子曲線分別對(duì)應(yīng)第一種、第二種和第三種失配狀態(tài)。

圖2 晶體管的S參數(shù)

圖3 單支節(jié)匹配的放大電路

圖4 放大器的增益

圖6 放大器的穩(wěn)定性因子

本文的研究結(jié)果如下：

(1)本文在失配受限的前提下分析了小信號(hào)放大各項(xiàng)參數(shù)的變化規(guī)律，失配狀態(tài)通過(guò)輸入駐波比來(lái)表示，駐波比越大失配越大。本文考察了3種失配狀態(tài)，第一種狀態(tài)輸入端匹配最差、失配最大，第三種狀態(tài)輸入端匹配最好、失配最??；

(2)在3種失配的狀態(tài)下，對(duì)增益和噪聲系數(shù)進(jìn)行仿真。由圖4可以看出，放大器的增益與失配有關(guān)，失配越小增益越大。由圖5可以看出，噪聲系數(shù)也與失配有關(guān)，失配越小噪聲系數(shù)越大。增益與噪聲系數(shù)是小信號(hào)放大的兩個(gè)重要參數(shù)，上述仿真的結(jié)果說(shuō)明兩者的變化趨勢(shì)相反，兩者的參數(shù)不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。失配也是小信號(hào)放大的一個(gè)重要參數(shù)，上述仿真的結(jié)果還說(shuō)明，失配與增益的變化趨勢(shì)相同，失配與噪聲系數(shù)的變化趨勢(shì)相反；

(3)由于反射波的存在，射頻放大在某些終端條件或工作頻率有產(chǎn)生振蕩的傾向，射頻放大器需要考慮穩(wěn)定性。由圖6可以看出，在3種失配狀態(tài)下，放大器均絕對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明小信號(hào)時(shí)放大器容易保持穩(wěn)定性。穩(wěn)定性可以用穩(wěn)定性因子來(lái)表示，仿真結(jié)果還說(shuō)明失配越小穩(wěn)定性越高；

(4)由上述仿真結(jié)果可以看出，在設(shè)計(jì)小信號(hào)放大器時(shí)，可以根據(jù)給定的某一設(shè)計(jì)指標(biāo)，仿真其它參數(shù)的變化范圍，由此判斷器件選取正確與否，并能在選定器件后提高小信號(hào)放大的綜合性能；

(5)現(xiàn)在對(duì)小信號(hào)放大的研究，主要集中在給定指標(biāo)下射頻電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，缺乏對(duì)各項(xiàng)參數(shù)變化規(guī)律的研究。本文分析了失配、增益、穩(wěn)定性和噪聲系數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)小信號(hào)放大的設(shè)計(jì)具有普遍指導(dǎo)意義。

5 結(jié) 論

本文對(duì)ISM頻段射頻放大的小信號(hào)特性進(jìn)行了分析，給出了一種ISM頻段射頻放大的實(shí)現(xiàn)途徑，提出了提高放大器綜合性能的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)在復(fù)平面上利用圓圖對(duì)小信號(hào)放大器的參數(shù)進(jìn)行分析，得到了各項(xiàng)參數(shù)的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明，匹配網(wǎng)絡(luò)同時(shí)對(duì)駐波比、增益、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定性因子有影響，失配與增益的變化趨勢(shì)相同，失配與噪聲系數(shù)的變化趨勢(shì)相反，小信號(hào)時(shí)放大器容易保持穩(wěn)定，失配越小穩(wěn)定性越高。目前對(duì)小信號(hào)放大的研究偏重于射頻電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，缺乏對(duì)各項(xiàng)參數(shù)變化規(guī)律的研究，本文的研究結(jié)果對(duì)提高小信號(hào)放大的綜合性具有指導(dǎo)作用。在研究小信號(hào)放大時(shí)，如果將射頻電路的結(jié)構(gòu)尺寸、實(shí)現(xiàn)難易與各項(xiàng)參數(shù)的變化規(guī)律結(jié)合起來(lái)研究，將更具實(shí)際意義，這將是下一步的研究工作。

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