2.4 GHz高增益極低噪聲放大器設(shè)計(jì)*

羅 兵，詹忠山，張永亮，邱文華，王喜瑞

（1. 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院， 廣州 510515；2. 廣東好幫手電子科技股份有限公司集團(tuán)研發(fā)中心，廣東 佛山 528113）

1 引言

近年來(lái)，WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)）系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、全球定位系統(tǒng)等無(wú)線通信技術(shù)得到了快速的發(fā)展，尤其是WLAN系統(tǒng)在民用領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用，然而WLAN系統(tǒng)通信距離短，接收機(jī)接收系統(tǒng)靈敏度較低。因此，低噪聲放大器作為接收機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，一直是無(wú)線通信系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)[1～9]，其性能指標(biāo)直接關(guān)系到接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏度，在一定程度上影響到通信系統(tǒng)的通信距離、通信容量，設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的LNA（低噪聲放大器）有著非常重要的意義。

本文擬設(shè)計(jì)用于WLAN系統(tǒng)的2.4 GHz頻段低噪聲放大器，具有極低的噪聲系數(shù)和較高的增益，能提高接收機(jī)系統(tǒng)靈敏度，改善通信質(zhì)量，提高通信距離和通信容量。

2 噪聲系數(shù)（NF）分析

噪聲一般是指在電路中除有用信號(hào)以外的一切信號(hào)，對(duì)電路造成不良影響，嚴(yán)重時(shí)可能引起電路的誤動(dòng)作。噪聲的產(chǎn)生有很多種原因，比如器件本身的熱噪聲，布線間的靜電感應(yīng)、磁感應(yīng)引起的感應(yīng)噪聲等。噪聲過(guò)大會(huì)對(duì)有用信號(hào)造成嚴(yán)重的干擾，導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法解調(diào)有用信號(hào)，噪聲雖然很難消除，但可以設(shè)法降低噪聲的強(qiáng)度。

一般使用信噪比（S/N）來(lái)衡量噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響程度，一個(gè)性能優(yōu)良的放大電路要保證信噪比（S/N）在可控的范圍，但是在一定程度上會(huì)影響到增益的高低，因此要在信噪比和增益之間做權(quán)衡。放大電路對(duì)信噪比（S/N）的惡化程度用噪聲因子（F）來(lái)表示，噪聲因子（F）定義為：放大電路的輸入信噪比（Si/Ni）與輸出信噪比（So/No）的比值[2～3]可表示為：

式中，T0、Te、G、B、K分別為標(biāo)準(zhǔn)室溫、放大電路輸入端的等效噪聲溫度、放大電路的可用功率增益、頻帶寬度、玻爾茲曼常數(shù)。為了方便表示，將噪聲因子取對(duì)數(shù)就得到噪聲系數(shù)的定義，表示為：

當(dāng)多級(jí)射頻放大電路級(jí)聯(lián)在一起時(shí)，級(jí)聯(lián)放大電路的可用功率增益分別為G1、G2、G3、…、Gn，噪聲因子分別為F1、F2、F3、…、Fn，如圖 1所示。

根據(jù)噪聲因子的定義，該級(jí)聯(lián)放大電路的噪聲因子可以表示為[4]：

用對(duì)數(shù)表示即為噪聲系數(shù)：

圖1 級(jí)聯(lián)放大電路噪聲分析圖

由此可知，要改善級(jí)聯(lián)放大電路的噪聲系數(shù)，第一級(jí)放大電路的噪聲系數(shù)（NF）設(shè)計(jì)得越低越好。一般第一級(jí)以最小噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)，后級(jí)采用最大效率或最大功率傳輸匹配，既保證系統(tǒng)對(duì)噪聲系數(shù)的要求，也提高了系統(tǒng)的增益。

3 電路設(shè)計(jì)

低噪聲放大器的電路在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，主要進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)電路與匹配電路的設(shè)計(jì)。

3.1 靜態(tài)工作點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

靜態(tài)工作點(diǎn)是指在電路沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)電路所處的工作狀態(tài)。合適的靜態(tài)工作點(diǎn)能夠保證電路不失真，又消耗最小的功率，因此需要設(shè)計(jì)合適的直流偏置電路，確保晶體管工作在合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。如果靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定、甚至燒壞系統(tǒng)的嚴(yán)重后果。

安捷倫公司的ATF54143具有優(yōu)良的穩(wěn)定特性和較低的最佳噪聲系數(shù)點(diǎn)，設(shè)計(jì)選用ATF54143作為低噪聲放大器的晶體管。為了防止電源不穩(wěn)定或溫度變化等原因造成晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)的變動(dòng)，引入直流負(fù)反饋，即在源極串聯(lián)電阻，盡量減少靜態(tài)工作點(diǎn)的變動(dòng)，保證電路的穩(wěn)定工作。

但是，電阻通常會(huì)影響電路的增益，采用在電阻上并聯(lián)電容的方式，保證高頻增益不受影響，避免對(duì)高頻信號(hào)形成反饋，引起振蕩。但是，串聯(lián)電阻會(huì)引入熱噪聲，所以需要采用電感負(fù)反饋[4]，電感的感抗會(huì)隨著頻率的上升而上升，能有效抑制高頻諧波干擾信號(hào)，在一定程度上提高了放大器的線性范圍。

在具體設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)集總電感誤差太大，占用面積大，調(diào)試也不方便。因此采用一種新的微帶線代替源極串聯(lián)電感的方式，減少元件數(shù)量，降低成本，并易于調(diào)試，其電路圖如圖2所示。

圖2 整體電路設(shè)計(jì)圖

3.2 匹配電路設(shè)計(jì)

匹配電路的目的是保證電路輸入、輸出按照一定的阻抗要求進(jìn)行匹配，以達(dá)到最小噪聲系數(shù)或增益等電性能指標(biāo)的要求。一般晶體管等效為有源兩端口網(wǎng)絡(luò)，其噪聲系數(shù)[6]可表示為：

為克服垃圾干燥的“能耗瓶頸”［16］，根據(jù)海島生活垃圾處置調(diào)研情況，提出利用煙氣余熱預(yù)處理生活垃圾的處置思路，目標(biāo)將垃圾含水率控制在10%以下，以此解決海島垃圾處理難題。

實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，理論值只作為參考，使用仿真工具Smith圓圖或ADS進(jìn)行多次聯(lián)調(diào)仿真，確定最終的電路設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)微帶線代替集總電感、電容的方式，節(jié)省成本、避免了集總元器件誤差較大的缺點(diǎn)，減少了電路體積，而且也方便調(diào)試。使用仿真工具Smith圓圖多次仿真調(diào)試，最終確定電路方案如圖2所示。

4 ADS仿真分析

ADS（Advanced Design System）作為高頻設(shè)計(jì)的工業(yè)領(lǐng)袖，在高頻設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用?；贏DS的仿真能使設(shè)計(jì)更接近實(shí)際指標(biāo)，降低設(shè)計(jì)成本。

使用ADS仿真LNA的穩(wěn)定性、駐波比、噪聲系數(shù)和增益等，如圖3、圖4、圖5、圖6所示，在2.4 GHz～2.5 GHz頻段內(nèi)處于絕對(duì)穩(wěn)定，駐波比VSWR≤1.46，噪聲系數(shù)NF≤0.64，S11≤-15 dB，S22≤-16 dB，增益GAIN≥12 dB。

圖3 穩(wěn)定性系數(shù)

圖4 駐波比

圖5 噪聲系數(shù)

圖6 S（1,1）、S（2,2）與S（2,1）

5 實(shí)測(cè)結(jié)果與討論

圖7 仿真與測(cè)試結(jié)果的VSWR參數(shù)對(duì)比

圖8 仿真與測(cè)試結(jié)果的增益對(duì)比

圖9 仿真與測(cè)試結(jié)果的噪聲系數(shù)對(duì)比

仿真結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果的差別主要有以下幾個(gè)原因：

第一，材料性質(zhì)與PCB工藝存在一定的誤差；

第二，測(cè)試前的校準(zhǔn)也存在一定的誤差；

第三，焊接技術(shù)也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

在實(shí)際產(chǎn)品制作時(shí)，應(yīng)盡量選用介電常數(shù)和介質(zhì)損耗比較穩(wěn)定的材料。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種高增益低噪聲系數(shù)的低噪聲放大器，采用微帶線代替電感負(fù)反饋的方式，提出了一種用微帶線代替集總電感、電容的匹配方案，節(jié)省成本、方便調(diào)試、減少電路體積。ADS仿真分析與產(chǎn)品實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，兩者結(jié)果基本吻合。在保證頻段內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定的情況下，提高了低噪聲放大器的增益，改良了低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，用于WLAN等通信系統(tǒng)，可以提高通信系統(tǒng)的傳輸距離、提高系統(tǒng)容量等。

[1] 張玉興. 射頻模擬電路[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2002. 121-134.

[2] 劉軼，嚴(yán)偉. 射頻電路設(shè)計(jì)原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2014. 122-123.

[3] 陳振國(guó). 微波技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社, 2002. 259-260.

[4] Behzad Razave. RF Microelectronics [M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003. 39-44.

[5] Dale D Henkes. LNA Design Uses Series Feedback to Achieve Simultaneous Low Input VSWR and Low Noise[J] . Applied Microwave & Wireless, 1998∶ 26-32.

[6] Debendra K Misra. Radio-Frequency and Microwave Communication Circuits∶ Analysis and Design [M]. New York∶ Wiley, 2004.

[7] F M Rotella, G Ma Z Yu, R W Dutton. Modeling, Analysis,and Design of RF LDMOS Devices Using Harmonic-Balance Device Simulation [J]. IEEE Transactions On MTT, 2000, 48（6）∶ 991-999.

[8] 張玉興. 射頻模擬電路[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2002. 121-134.

[9] W O Henry. Electronic system noise suppression technology[M]. The people’s Railway Publishing House, 1997. 209-239.