射頻低噪聲放大器設(shè)計與仿真

王振朝，種少飛，韋子輝，田曉燕，陳 雷

(1.河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北保定071002;2.保定天河電子技術(shù)有限公司博士后工作站，河北保定071002)

低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)是射頻接收設(shè)備中的關(guān)鍵部件，主要用于放大接收信號從而提高接收機靈敏度及通信距離。LNA設(shè)計的難點在于需要考慮噪聲系數(shù)、增益及穩(wěn)定性等參數(shù)，處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)且具有低噪聲系數(shù)和較高增益的LNA是提高接收機接收靈敏度及通信距離的關(guān)鍵手段［1］。

本文以433 MHz頻段為例并結(jié)合ADS(Advanced Design System)軟件詳細介紹了兩級低噪聲放大器完整的設(shè)計方法，完成了低噪聲放大器的設(shè)計及仿真，并在433 MHz頻段對低噪聲放大器進行了實際測試。結(jié)果表明，在ADF7021射頻收發(fā)芯片接收端加入設(shè)計的LNA后，提高了接收靈敏度，通信距離得到顯著提高。

1 低噪聲放大器的設(shè)計理論

放大器的性能指標(biāo)主要是增益、穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)、輸入輸出駐波比等，其中噪聲系數(shù)及穩(wěn)定性對接收系統(tǒng)影響較大。

1.1 穩(wěn)定性分析

在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性是在設(shè)計LNA時首先要考慮的問題。放大器由于內(nèi)部S12產(chǎn)生的反饋，可能使LNA工作在不穩(wěn)定狀態(tài)下，這會發(fā)生自激導(dǎo)致LNA不能正常工作［2］。因此，首先要判斷LNA是否絕對穩(wěn)定，判斷LNA絕對穩(wěn)定的條件為［3］

式中:K，B為穩(wěn)定因數(shù);S11為輸入端反射系數(shù);S22為輸出端反射系數(shù);S12為輸入端匹配時輸出端到輸入端傳輸系數(shù);S21為輸出端匹配時輸入端到輸出端傳輸系數(shù)。

若根據(jù)放大管數(shù)據(jù)手冊中的S參數(shù)并結(jié)合式(1)或式(2)計算來判斷穩(wěn)定性，則過程復(fù)雜。在ADS中利用穩(wěn)定性判定系數(shù)Stab_face(s)或Stab_meas(s)可以直接對放大管進行穩(wěn)定性分析，當(dāng)Stab_face(s)＞1或Stab_meas(s)＞0時放大管處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)［4］。當(dāng)放大器處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，可以采用在輸入、輸出端串聯(lián)或并聯(lián)小電阻，或引入負反饋電路等方法提高放大器的穩(wěn)定性。但是前者會惡化噪聲系數(shù)、降低放大器增益［5］。本文采用的是在放大管的集電極引入感性反饋的方法。

1.2 最小噪聲系數(shù)和最大增益分析

低噪聲放大電路的噪聲系數(shù)和增益是衡量放大器性能的兩個重要指標(biāo)。按最佳噪聲匹配得到的放大器的噪聲系數(shù)最小，此時為最佳噪聲匹配;按最大增益匹配得到的放大器的增益最大，此時為最大功率傳輸匹配。但這兩者是相互矛盾的，因此設(shè)計低噪聲放大器時需要權(quán)衡利弊得到最佳的設(shè)計方案。

多個放大管級聯(lián)時的噪聲系數(shù)為［6］

式中:Nfn為第n級放大管噪聲系數(shù);Gn為第n級放大管增益。

由式(3)可知，低噪聲放大器的噪聲系數(shù)主要取決于第一級放大管的噪聲系數(shù)。綜合考慮最小噪聲系數(shù)和最大增益要求，本文采用的設(shè)計方案為:第一級輸入端采用最佳噪聲匹配，級間和第二級輸出采用最大功率傳輸匹配。同時設(shè)計合適的第一級放大管的偏置和反饋電路以適當(dāng)提高其增益，減小第二級放大管對噪聲系數(shù)的影響。這樣既保證了低噪聲放大器小噪聲系數(shù)的要求，也保證了放大電路增益的要求。圖1為低噪聲放大器整體框圖。

圖1 低噪聲放大器整體框圖

2 低噪聲放大器設(shè)計與仿真

為改善遠距離通信效果，低噪聲放大電路必須有較高增益和很低的噪聲系數(shù)，為提高增益低噪聲放大器采用兩級放大管級聯(lián)結(jié)構(gòu)。一級放大管選用NEC公司的2SC3356，二級放大管選用PHILIPS公司的BFR520，前者噪聲低、線性度好，而后者輸出功率高。兩者綜合使用，可以達到較高增益。低噪聲放大器的設(shè)計主要包括:偏置電路設(shè)計、穩(wěn)定性分析、匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與電路優(yōu)化與仿真。

2.1 偏置電路設(shè)計及穩(wěn)定性分析

偏置電路對于放大管至關(guān)重要，直接影響著放大管的工作狀態(tài)。在ADS中導(dǎo)入放大管的S參數(shù)模型，并進行直流仿真，選擇合適的直流工作點。本設(shè)計選擇2個放大管的工作點為:VCE=3.3 V，IC=10 mA。根據(jù)確定的工作點設(shè)計偏置電路，并在放大管的直流和交流通路之間加入隔直電容和扼流電感，以更好地穩(wěn)定靜態(tài)工作點。為了使穩(wěn)定判別系數(shù)K在工作頻點大于1，本文在放大管的集電極加入反饋電感以保證放大管的絕對穩(wěn)定。加入偏置和反饋電路如圖2所示，其中L2為加入的反饋電感，同時也起到扼流作用。對放大管進行仿真，得到放大管的穩(wěn)定系數(shù)Stab_face(s)均大于1，如圖3所示。在工作頻點內(nèi)放大管達到絕對穩(wěn)定狀態(tài)，并且放大管在低頻部分也很穩(wěn)定，避免了中低頻區(qū)可能導(dǎo)致的自激震蕩。

圖2 偏置電路

2.2 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

匹配網(wǎng)絡(luò)對整個放大器起關(guān)鍵作用，它最終決定了增益、輸入輸出駐波比及噪聲系數(shù)。本文匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計包括:最佳噪聲匹配、級間匹配、最大功率傳輸匹配。利用等噪聲系數(shù)圓和等增益圓，進行低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計［7］。

圖3 穩(wěn)定系數(shù)仿真結(jié)果(截圖)

根據(jù)等噪聲系數(shù)圓和等增益圓仿真第一級放大管，得到等噪聲系數(shù)圓和等增益圓，如圖4所示。點m4獲得最小噪聲系數(shù)0.520 78 dB，增益大約為16.819 dB，由于第一級放大電路主要考慮噪聲系數(shù)，得到最小噪聲系數(shù)下的輸入端阻抗為50×(0.479+j0.484)。使用DA_Simth-CharMatch進行匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，50B通過匹配網(wǎng)絡(luò)匹配到m4的共軛點，仿真結(jié)果如圖5所示，其中點m4達到匹配點，完成了最佳噪聲匹配。

圖4 等噪聲系數(shù)圓和等增益圓(截圖)

圖5 最佳噪聲匹配仿真(截圖)

根據(jù)輸出阻抗控件，得到一級放大管在433 MHz時的輸出阻抗為92.974－j6.91。輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò)采用最大功率傳輸匹配，加入匹配網(wǎng)絡(luò)后仿真結(jié)果如圖6所示。輸出端的輸出阻抗為49.748+j0.032，已經(jīng)接近50Ω。

圖6 輸出端匹配仿真(截圖)

第二級的匹配過程不再贅述，需要注意的是:第二級放大管主要考慮的是增益問題，故輸入端匹配網(wǎng)絡(luò)采用最大功率傳輸匹配，即共軛匹配。第二級放大電路的仿真結(jié)果如圖7所示，第二級放大管在工作頻段增益曲線S21為19.353 dB，且具有良好的增益平坦性能，回波損耗曲線S22 為 －37.938 dB，噪聲系數(shù)為1.008 dB。

2.3 電路優(yōu)化與仿真

在ADS原理圖中把兩級放大電路級聯(lián)，仿真得到低噪聲放大器的S參數(shù)。在實際制作中，使用的器件不可能是理想的仿真值，故電路中的匹配網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)S參數(shù)進行優(yōu)化，使低噪聲放大器性能符合設(shè)計要求。優(yōu)化后完整的LNA電路圖如圖8所示，其中C1、C2、C6、C7為放大管的隔直電容，仿真結(jié)果如圖9所示。圖9中m1點所在的曲線為噪聲系數(shù)曲線，在433 MHz時低噪聲放大器的噪聲系數(shù)為0.572 dB，m2點所在的曲線為穩(wěn)定系數(shù)曲線，在433 MHz時的穩(wěn)定系數(shù)為1.386，設(shè)計的低噪聲放大器處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)下。m3點表示低噪聲放大器的增益曲線S21在433 MHz時為34.835 dB，m4和m5所在曲線分別表示低噪聲放大器的輸入、輸出駐波比，在433 MHz時分別為1.14 dB、1.192 dB。點m6、m7基本到達匹配點，低噪聲放大器的輸入、輸出匹配良好。

圖7 BFR520仿真結(jié)果(截圖)

圖8 兩級低噪聲放大器電路(截圖)

需要注意的是，設(shè)計的匹配網(wǎng)絡(luò)是按照最大功率傳輸設(shè)計的，沒有考慮傳輸線與負載之間的無反射匹配，所以在制作PCB版時要根據(jù)板子的材質(zhì)及厚度計算出輸入輸出的信號線的線寬以使其特性阻抗為50Ω，保證信號線與負載的無反射匹配。在制作PCB版圖時為了方便調(diào)試，在匹配網(wǎng)絡(luò)中加入一些備用的焊盤，在第一級放大管輸出端加入天線焊盤方便單級放大管調(diào)試。

圖9 兩級低噪聲放大器仿真結(jié)果(截圖)

3 低噪聲放大電路測試及應(yīng)用

在測試過程中使用Agilent E4433信號源和Agilent E4405B頻譜測試儀進行測試。得到低噪聲放大器的增益為27 dB，回波損耗為－23 dB。噪聲系數(shù)借助惠普公司的HP8970B噪聲測試儀，測得噪聲系數(shù)為0.589 dB。

為驗證本文設(shè)計LNA的實用性，在使用ADF7021射頻收發(fā)芯片的通信模塊接收端加入該LNA，ADF7021是ADI公司生產(chǎn)的一款高性能、低功率、窄帶收發(fā)器，其可在窄帶、免執(zhí)照 ISM頻段以及80～650 MHz和842～916 MHz頻率范圍的許可執(zhí)照頻段內(nèi)工作，廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸、無線抄表等領(lǐng)域。ADF7021內(nèi)部已集成自動調(diào)整增益的低噪放大電路，接收靈敏度在－112 dBm左右，在加入LNA后，采用ADF7021的通信模塊接收靈敏度提高7～8 dB，通信距離提高近一倍，說明該低噪聲放大器具有較高的增益和較低的噪聲系數(shù)。

4 總結(jié)

本文結(jié)合ADS軟件、等噪聲圓及等功率圓介紹了兩級LNA的設(shè)計方法，并通過集電極串聯(lián)電感的方法實現(xiàn)了LNA在工作頻段內(nèi)的絕對穩(wěn)定狀態(tài)。最后完成了兩級放大管的偏置電路設(shè)計和最佳噪聲以及最大功率匹配電路設(shè)計，并根據(jù)仿真結(jié)果對噪聲系數(shù)和S參數(shù)進行了優(yōu)化。將設(shè)計的低噪聲放大器應(yīng)用在中心頻率為433 MHz的射頻通信模塊中，測試結(jié)果表明，在工作頻段內(nèi)該低噪聲放大器具有較高的增益和良好的匹配，提高了接收系統(tǒng)的接收靈敏度，增加了通信模塊的通信距離。這種LNA電路對射頻通信模塊接收端設(shè)計具有重要使用價值。

［1］段成麗，徐江，王浩，等.S波段低噪聲放大器仿真設(shè)計［J］.壓電與聲光，2012，34(4):622－626.

［2］叢密芳，南敬昌，李久超.RFID低噪聲放大器設(shè)計與仿真［J］.計算機仿真，2011，28(4):393－396.

［3］ REINHOLD L，PAVEL B.RF circuit design:theory and applications［M］.［S.l.］:Prentice Hall，2003.

［4］ Design of observer－based feedback control for time－delay systems［EB/OL］.［2013－05－12］.http://www－personal.umich.edu/～ ulsoy/TDS_Chapters/TDS_Chapter7.htm .

［5］梁立明，南敬昌，劉影.基于ADS射頻低噪聲放大器的設(shè)計與仿真［J］.計算機仿真，2009，26(11):352－355.

［6］萬建崗，高玉良，左治方.基于ADS仿真的寬帶低噪聲放大器設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2009，33(4):58－61.

［7］吳先智，孫玲，包志華.超高頻RFID讀卡器接收前端低噪聲放大器設(shè)計［J］.南通大學(xué)學(xué)報，2009，8(2):8－10.