基于噪聲抵消技術(shù)的超寬帶低噪聲放大器

蔡寧霞　金瑾

【摘 要】自從美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）從2002年開始允許超寬帶技術(shù)在商業(yè)通信領(lǐng)域使用以來(lái)，超寬帶技術(shù)一直都是學(xué)者和工程師的研究熱點(diǎn)，從而超寬帶技術(shù)的發(fā)展步伐逐漸加快。

【關(guān)鍵詞】噪聲抵消；超寬帶；噪聲放大器

引言

低噪聲放大器是雷達(dá)接收前端的重要組成部分，從天線進(jìn)入接收機(jī)的微弱信號(hào)由低噪聲放大器進(jìn)行放大，其性能是決定接收系統(tǒng)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵。但低噪聲放大器承受功率有限，因此使用時(shí)往往在其前級(jí)級(jí)聯(lián)限幅器。由于成本與體積的要求，限幅器和低噪放多采用一體化設(shè)計(jì)。目前，具有更高功率容量和增益、更低噪聲系數(shù)以及更小體積的限幅放大器成為國(guó)內(nèi)外微波電路領(lǐng)域重要的研究方向。

1、低噪聲放大器的穩(wěn)定性

放大器電路必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定。這一點(diǎn)對(duì)于射頻電路是非常重要的，因?yàn)樯漕l電路在某些工作頻率和終端條件下如果不穩(wěn)定的話，將有產(chǎn)生震蕩的可能。放大器的穩(wěn)定性可分為兩種：一種是絕對(duì)穩(wěn)定或稱無(wú)條件穩(wěn)定，在這種情況下，對(duì)于所有的無(wú)源負(fù)載和信號(hào)源阻抗，放大器都能穩(wěn)定地工作；另一種稱為有條件穩(wěn)定，在這種情況下，負(fù)載阻抗和信號(hào)源阻抗不能任意選取，要有一定的限制，否則放大器不能穩(wěn)定工作。設(shè)計(jì)者可以利用放大器電路的S參數(shù)來(lái)計(jì)算它的絕對(duì)穩(wěn)定性。一個(gè)射頻二端口網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)穩(wěn)定條件是：

Mu_s和Mu_l分別是輸入端和輸出端的穩(wěn)定性判定因子，只要有一個(gè)大于1，則放大器無(wú)條件穩(wěn)定[30]，在本文設(shè)計(jì)放大器中，使用第二種判定條件判斷LNA的穩(wěn)定性。

2、寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：頻率1～3GHz，增益≥29dB，平坦度≤±0.6dB，噪聲系數(shù)NF≤0.9dB，輸入輸出駐波比VSER≤1.5。

電路設(shè)計(jì)方案分析 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)主要考慮放大器的噪聲、增益、輸入輸出駐波比以及平坦度等參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先選擇合適的器件，本次設(shè)計(jì)中采用的是管芯為FHX45X型Super-HEMT。雖然器件數(shù)據(jù)手冊(cè)上推薦頻率范圍為2～18GHz，但從其S參數(shù)看出器件頻率可以用于低至100MHz（手冊(cè)上噪聲參數(shù)是從2GHz開始的，但之前的實(shí)驗(yàn)表明2GHz之前的噪聲系數(shù)與仿真結(jié)果差別不大）。

該管芯在12GHz時(shí)噪聲為0.55dB，增益為12dB。由于采用了耗盡型器件，柵源偏置電壓需要為負(fù)值。文中采用柵極直流接地、源極電阻提供偏壓的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。圖1為放大器的偏置電路，其中供電電源為+5V，通過(guò)電阻降壓得到2V的漏源電壓，源極偏壓由源極電阻提供，這樣不用單獨(dú)提供柵壓。FHX45X型SuperHEMT的靜態(tài)工作點(diǎn)置于Vgs=-0.4V，Vds=2V，1ds=15mA.

3、低噪聲放大器的增益及其平坦度

放大器功率增益就是輸出功率與輸入功率的比值。依照輸出功率和輸入功率定義的不同，又可分為轉(zhuǎn)移增益、實(shí)際增益、相關(guān)增益、資用增益等。一般用分貝（dB）表示。對(duì)于實(shí)際的低噪聲放大器來(lái)說(shuō)，功率增益通常是指信號(hào)源和負(fù)載都是50Ω的情況下實(shí)測(cè)增益。其表達(dá)式為：

在測(cè)量時(shí)，信號(hào)源和功率計(jì)都是標(biāo)準(zhǔn)50Ω匹配，所測(cè)Pi是信號(hào)源的資用功率，而Po則代表50Ω負(fù)載所獲得的功率。從這個(gè)方面上講，功率增益G中考慮了放大器的輸入、輸出失配所造成的增益下降的因素。低噪聲放大器的工作頻率以及帶寬指的是其在頻域的工作范圍，在此范圍內(nèi)，其各項(xiàng)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)需求。增益平坦度指的就是功率增益在工作頻帶內(nèi)的起伏，常常用最高增益減去最小增益即可得到增益平坦度，即△G來(lái)表示，如圖2所示。

ΔG越小，說(shuō)明整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，增益越平坦。增益平坦度是寬帶低噪聲放大器較為重要的技術(shù)指標(biāo)之一。

4、低噪聲放大器的板級(jí)驗(yàn)證

4.1基片的選擇。板材的性能指標(biāo)包括有介電常數(shù)ξr、損耗因子（介質(zhì)損耗角正切）tanδ、表面光潔度、表面導(dǎo)體導(dǎo)電率、抗剝強(qiáng)度、熱漲系數(shù)、抗彎強(qiáng)度等。其中介電常數(shù)ξr、損耗因子是主要參數(shù)。表1是現(xiàn)如今較為主流的板材的總結(jié)，并比較了它們的主要參數(shù)。

由表1可以看出，Rogers4350B即表中的RO4350B，具有較低的熱膨脹系數(shù)，較低的損耗角正切，較低的介電常數(shù)。因此，選用Rogers4350B作為此次板級(jí)放大器設(shè)計(jì)的基板。在國(guó)內(nèi)RO4350B，板材廠家生產(chǎn)的規(guī)格有10mil/20mil/30mil/60mil等四種板厚度，電路板的特性阻抗隨著它的厚度的增加而增加，因此我們選擇了厚度適中的大小為30mil的規(guī)格。此次交付生產(chǎn)的基板，實(shí)際相對(duì)介電常數(shù)為3.48，基板厚度為0.762mm（30mil），微帶線金屬銅片厚度為0.07mm，損耗角正切（tanδ）為0.0037。

4.2器件的選取。晶體管的選取用于微波電路的晶體管其主要參數(shù)指標(biāo)為截止頻率fT和噪聲系數(shù)，我們?cè)谧鼍w管的選取的時(shí)候fT是一個(gè)重要的參考量，要比我們?cè)O(shè)計(jì)的工作頻帶高4倍數(shù)以上，即在工作頻帶最高處晶體管的增益仍然能達(dá)到12dB以上。晶體管作為低噪聲放大器的重要元件其噪聲系數(shù)也是至關(guān)重要的。其次是晶體管的封裝。我們知道，在射頻微波電路中，由于信號(hào)的頻率非常高，波長(zhǎng)短，如果器件的封裝尺寸越大，帶來(lái)的寄生干擾也就越大，因此，我們選擇封裝尺寸相對(duì)較小的晶體管。而且，滿足上述條件后，還需選擇有ADS模型文件的晶體管。所設(shè)計(jì)的放大器需要在ADS中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如果沒(méi)有模型文件，我們將無(wú)法仿真。某公司的BFP740三極管的增益和噪聲系數(shù)示意圖如下面所示，圖3為該型號(hào)三級(jí)管的增益隨頻率變化的增益示意圖，根據(jù)該圖可知：在1.8GHz時(shí)，該管的最大穩(wěn)定增益為27dB，按照每倍頻6dB衰減來(lái)計(jì)算，在7GHz時(shí)仍可獲得15dB的最大穩(wěn)定增益，相比于其他的晶體管來(lái)說(shuō)，該管的增益性能適用于我們?cè)O(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器。

4.3無(wú)源器件的選取

電阻是電子電路的最基本的無(wú)源元件之一，電阻在本論文板級(jí)放大器中起到搭建偏置電路和放大器負(fù)載的作用。由于金屬薄膜電阻焊接在PCB板上時(shí)寄生電感較大，因此選用貼片金屬膜電阻。而且貼片電阻的電性能穩(wěn)定，可靠性高，體積較小，所以采用貼片電阻，等效電路如圖4所示。由于電感、電容值均不是特別大，因此在低頻時(shí)呈現(xiàn)出電阻特性，隨著頻率的增加電容C2起主要作用，阻抗逐漸減??；當(dāng)達(dá)到L1、L2和C1諧振點(diǎn)時(shí)阻抗達(dá)到最小值。再隨著頻率的增加電容呈現(xiàn)電感特性，電感L1、L2起主導(dǎo)作用，阻抗值隨頻率增大而增大。由于電感值較小，增大比較平緩。

4.4板級(jí)放大器的實(shí)現(xiàn)

由于芯片設(shè)計(jì)和 PCB 設(shè)計(jì)區(qū)別較大，因此需做出相應(yīng)調(diào)整，但是其核心放大電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是相同的。輸入匹配由微帶線 TL1、TL2，電容 C1，電感 L1組成；輸出匹配由微帶線TL4、TL3，電容C5組成。為4.3節(jié)中分析的輸入、輸出匹配。整個(gè)板級(jí)放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如5所示。

對(duì)圖5的電路原理圖在ADS 中進(jìn)行仿真，初步驗(yàn)證電路功能的正確性。之后，導(dǎo)入電阻、電容、電感和晶體管的仿真模型，把較長(zhǎng)的理想導(dǎo)線替換為微帶線，完成預(yù)布線。

按照上圖畫出電路圖后，通過(guò)在版圖中調(diào)節(jié)各個(gè)元件的位置來(lái)優(yōu)化版圖結(jié)構(gòu)和面積，由于微帶連接線的長(zhǎng)度和寬度對(duì)信號(hào)傳輸有影響，對(duì)它們調(diào)整后都需要在原理圖中調(diào)節(jié)元件的值和微帶線的參數(shù)來(lái)保持電路的性能。通過(guò)版圖與電路原理圖的調(diào)試，可以大致確定所有微帶線的尺寸，然后在 ADS 中繪出適合電磁仿真用的版圖。

4.5板級(jí)放大器的輸入、輸出匹配

由于在高頻時(shí)分立元件的寄生參數(shù)效應(yīng)十分明顯，在設(shè)計(jì)時(shí)必須將這些寄生效應(yīng)考慮進(jìn)去，這使得采用集總元件實(shí)現(xiàn)輸入輸出匹配變得十分困難，頻率高時(shí)，由于工作波長(zhǎng)，微帶線的機(jī)械尺寸通常是既短又寬。若采用分支線結(jié)構(gòu)，則由于分支線太短，微帶線的不均勻區(qū)的電磁場(chǎng)影響很大，計(jì)算精度相對(duì)要下降。因此，本論文的輸入、輸出匹配均采用單節(jié)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)。在印制電路板設(shè)計(jì)中，開路短截線往往更加適合匹配網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)殚_路短截線不需要打通孔。而短路短截線則必須有通孔，這樣就會(huì)帶來(lái)一定的寄生干擾。實(shí)際放大器都有一定的工作頻帶，從理論上講，微帶線單純的用微帶線匹配，只能是一個(gè)頻率點(diǎn)上或者很窄的窄帶，而整個(gè)頻帶內(nèi)多個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗不可能都匹配良好。因此，匹配電路形式往往是綜合運(yùn)用的。因此，本文的寬帶低噪聲放大器板級(jí)電路的輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用微帶線加集總元件匹配網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)束語(yǔ)

超寬帶低噪聲放大器（UWBLNA）作為超寬帶無(wú)線接收機(jī)的重要模塊，越來(lái)越受到人們廣泛關(guān)注。本論文對(duì)基于噪聲抵消技術(shù)的超寬帶低噪聲放大器行研究，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了板級(jí)寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐洪波.基于CMOS工藝的超寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)[D].西南交通大學(xué)，2010.

[2]岑明燦.無(wú)線接收機(jī)前端低噪聲放大器的研究[D].廣西師范大學(xué)，2014.

[3]楊帆.寬帶接收機(jī)關(guān)鍵電路模塊的設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)，2013.

[4]沈曉燕，楊衡靜，張振娟.一種基于噪聲抵消的0.5μmCMOS寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2010，04：82-85.