無線傳輸系統(tǒng)中低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

余寧+馬令坤

摘 要：文章介紹了一種增益為30 dB的低噪聲無線傳輸系統(tǒng)低噪聲放大器設(shè)計(jì)方法。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，應(yīng)用安捷倫ADS仿真軟件對(duì)低噪聲放大器的參數(shù)進(jìn)行仿真分析，然后進(jìn)行放大器輸入輸出阻抗匹配，在優(yōu)化放大器的增益和噪聲系數(shù)后，完成電路設(shè)計(jì)，同時(shí)文章還給出PCB板的設(shè)計(jì)結(jié)果。測試表明，該法設(shè)計(jì)的低噪聲放大器完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：低噪聲放大器；噪聲系數(shù)；增益；穩(wěn)定性

1 無線傳輸

近年來，系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用越來越廣，為了適應(yīng)這一市場需求，需要優(yōu)化低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法，降低產(chǎn)品調(diào)試成本。傳統(tǒng)的低噪聲放大器輸入輸出匹配電路需要反復(fù)迭代、靈活性不高、后期電路調(diào)試復(fù)雜，產(chǎn)品一致性差。本文通過研究低噪聲放大器的設(shè)計(jì)理論，提出了一個(gè)簡單易行的低噪聲放大器設(shè)計(jì)方案，通過該方案可以最大限度地降低放大器的噪聲系數(shù)，提高放大器的穩(wěn)定性，并且可以方便地在放大器增益、噪聲數(shù)和穩(wěn)定性之間進(jìn)行折中設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的電路后期調(diào)試簡單、產(chǎn)品一致性高，與其他射頻部件級(jí)聯(lián)時(shí)不需要隔離器。完全能滿足無線傳輸系統(tǒng)的技術(shù)要求和批量生產(chǎn)。利用該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的放大器已經(jīng)成功進(jìn)行批量生產(chǎn)。

2 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器主要由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、晶體管放大器、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、偏置電路構(gòu)成。

2.1 放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）工作頻率：300～400 MHz；（2）增益：≥30 dB；（3）噪聲系數(shù)：≤1.2 dB；（4）端口駐波：≤1.5；（5）供電電壓：+5 VDC±0.5 V；（6）電流：≤ 80 mA。

2.2 放大器設(shè)計(jì)方案分析

由于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的放大器增益要大于30 dB，所以設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)放大晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)，每級(jí)放大器單獨(dú)進(jìn)行輸入輸出阻抗匹配，然后進(jìn)行兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)。設(shè)計(jì)中選擇安華高的低噪聲放大器晶體管MGA-53543，該晶體管在300～400 MHz頻段內(nèi)高達(dá)19 dB的增益和1dB的噪聲系數(shù)足以滿足本文中要設(shè)計(jì)的低噪放的指標(biāo)要求。

2.2.1 MGA-53543的S參數(shù)和噪聲系數(shù)分析

根據(jù)MGA-53543的數(shù)據(jù)手冊采用內(nèi)插法可以得到MGA-53543在350 MHz時(shí)的S參數(shù)：

S11=0.327∠-123，S21=9.471∠141.3，

S12=0.079 5∠13.3，S22=0.206∠-128.3

由上面的S參數(shù)可以得到Δ=S11S22-S12S21=0.729 1∠-21.6

采用外推法可以得到MGA-53543在350 MHz時(shí)：

NFmin（dB）=1.06，Γopt=0.108∠156.5，Rn=0.1

2.2.2 放大器穩(wěn)定性分析

根據(jù)器件S參數(shù)可以得到MGA-53543在350 MHz時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)：

所以MGA-53543在350 MHz時(shí)是不穩(wěn)定的，需要對(duì)輸入、輸出穩(wěn)定圓進(jìn)行判定。

（1）作輸入穩(wěn)定圓。

圓心：

半徑：

（2）作輸出穩(wěn)定圓。

圓心：

半徑：

（3）作器件在350MHz的噪聲系數(shù)圓。

圓心：

其中：

半徑：

當(dāng)噪聲系數(shù)NF分別?。?.07 dB，1.2 dB，1.3 dB，1.4 dB，1.5 dB時(shí)，參數(shù)結(jié)果如表1所示。

如圖1所示，通過在Γ平面作輸入穩(wěn)定圓、輸出穩(wěn)定圓、1.2 dB，1.3 dB，1.4 dB，1.5 dB等噪聲系數(shù)圓、19 dB等增益圓發(fā)現(xiàn)在絕大部分情況下MGA-53543可以穩(wěn)定工作，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。

為了獲得最低噪聲系數(shù)，令

則有：

為了使則要求

，

此時(shí)，輸入駐波比

輸出駐波比 ，資用功率增益：

3.2.3 放大器匹配電路和PCB版圖設(shè)計(jì)

（1）輸入、輸出阻抗變換電路的設(shè)計(jì)。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)就是把ΓS所對(duì)應(yīng)的歸一化阻抗變換到1，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)就是把ΓL所對(duì)應(yīng)的歸一化阻抗變換到1。

（2）具體設(shè)計(jì)的輸入、輸出阻抗變換電路如圖2所示。

3.3 測試結(jié)果

對(duì)本文設(shè)計(jì)的兩級(jí)級(jí)聯(lián)低噪聲放大器電裝以后，用噪聲儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行指標(biāo)測試。

4 結(jié)語

本文分析了用安華高公司的MGA-53543設(shè)計(jì)低噪聲放大器的詳細(xì)過程，在設(shè)計(jì)過程中通過使用ADS軟件對(duì)器件的圓圖進(jìn)行仿真分析，找出器件噪聲系數(shù)、增益和穩(wěn)定性之間的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，然后根據(jù)該參數(shù)通過ADS軟件進(jìn)行輸入輸出匹配電路設(shè)計(jì)，使用該方法可以一次性完成輸入輸出匹配電路設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法反復(fù)迭代的問題。該方法簡單易行，完全適合低噪聲放大器的工程化設(shè)計(jì)。最終的測試結(jié)果表明該低噪聲放大器的性能指標(biāo)完全滿足最初的設(shè)計(jì)要求。